最近，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉及其同事苑震生、陳宇翱等在國際上首次實現(xiàn)了對光晶格中超冷原子自旋比特糾纏態(tài)的產(chǎn)生、操控和探測，向基于超冷原子的可擴(kuò)展量子計算和量子模擬邁出了重要一步。該研究成果以研究長文的形式發(fā)表在《自然-物理學(xué)》(Nature Physics 12, 783 (2016), doi:10.1038/nphys3705)上。
迄今為止，已有很多實驗演示了操控多個量子比特進(jìn)行信息處理的可行性。盡管如此，至今這些演示性實驗中所能操控的糾纏態(tài)的比特數(shù)僅是十個左右，而未來實用化的量子計算體系需要同時操控大量、數(shù)以幾十計乃至上百的量子比特。所以，可拓展量子信息處理目前仍在物理和技術(shù)上面臨重大困難，其中最關(guān)鍵的問題是如何產(chǎn)生和測控大量量子比特的糾纏態(tài)，并進(jìn)一步開展容錯的量子計算。
國際著名物理學(xué)家、諾貝爾獎獲得者Anthony Leggett在他的《二維中的物理學(xué)》講義中指出，隨著近年來超冷原子量子調(diào)控技術(shù)的發(fā)展，囚禁在光晶格中的超冷原子成為解決這個關(guān)鍵問題的理想體系之 一。在該體系中，成千上萬的超冷原子在極低溫下通過量子相變被確定性地制備到每個格點(diǎn)有且只有一個原子比特的人工晶體上，為可拓展的糾纏態(tài)產(chǎn)生提供大量的 量子比特資源;同時，超冷原子量子比特的相干時間可以達(dá)到秒的量級，并具有優(yōu)異的可操控性。
基于超冷原子光晶格體系的可拓展糾纏態(tài)產(chǎn)生的“三步走”方案： ①通過超流態(tài)到絕緣態(tài)的相變過程，實驗獲得二維光晶格每個格點(diǎn)有一個原子比特人工晶體，產(chǎn)生規(guī)則排列的原子比特糾纏對;②連接相鄰的原子比特糾纏對，并行 實現(xiàn)彼此平行的橫向鏈狀原子糾纏簇態(tài);③縱向并行連接糾纏原子鏈，實現(xiàn)二維的糾纏簇態(tài)，形成單向量子計算的基本資源。該工作實現(xiàn)了以上步驟中最關(guān)鍵的第一 步，即下圖中的規(guī)則排列的并行糾纏原子對。中間圖片形象地描述了原子自旋比特糾纏對;右側(cè)的圖是實驗中為了定量描述原子糾纏所采集的相關(guān)數(shù)據(jù)。
基于超冷原子光晶格體系，2008年牛津大學(xué)的Jaksch小組提出了可拓展糾纏態(tài)產(chǎn)生的“三步走”方案，其中第一步就是并行的產(chǎn)生相鄰原子比 特之間的糾纏，形成大量的原子比特糾纏對。之后再經(jīng)過橫向連接和縱向連接兩步即可實現(xiàn)大量量子比特的二維糾纏態(tài)，這樣就制備了基于測量的單向量子計算的基 本資源。同一年，馬普量子光學(xué)所的Bloch小組實驗演示了調(diào)控超晶格中相鄰原子超交換相互作用的能力。此后，科學(xué)家們?yōu)榱藢崿F(xiàn)“三步走”方案中的第一步 做出了巨大的努力，但是由于實驗中的各種困難一直沒有獲得突破。
中國科大研究團(tuán)隊與德國海德堡大學(xué)合作，自2010年開始對基于光晶格可拓展量子信息處理研究展開聯(lián)合攻關(guān)。研究團(tuán)隊首先把Rb87超冷原子 BEC裝載到三維光晶格中的一層，進(jìn)一步蒸發(fā)冷卻原子到低于10納開的超低溫，并實現(xiàn)了這層二維晶格中的超流態(tài)到Mott絕緣態(tài)的量子相變，從而獲得了每 個格點(diǎn)上有且只有一個原子的人工晶體。研究人員創(chuàng)造性地開發(fā)了具有自旋依賴特性的超晶格系統(tǒng)，形成了一系列并行的雙阱勢，并且在每個雙阱勢中用光場產(chǎn)生了 有效磁場梯度，結(jié)合微波場，實現(xiàn)了對超晶格中左右格點(diǎn)及兩種原子自旋等自由度的高保真度量子調(diào)控。該團(tuán)隊還開發(fā)了光學(xué)分辨約為1微米的超冷原子顯微鏡，對 這層晶格中的原子進(jìn)行高分辨原位成像，具備了高分辨、高靈敏度的成像能力。通過以上關(guān)鍵實驗技術(shù)的突破，該研究團(tuán)隊獲得了光晶格中超冷原子量子調(diào)控能力的 大幅提升，從而首次在光晶格中并行制備并測控了約600對超冷原子比特糾纏對，即可擴(kuò)展糾纏態(tài)制備“三步走”方案中最關(guān)鍵的第一步，邁出了面向可升級量子 計算的重要一步。
《自然-物理學(xué)》審稿人認(rèn)為，“這一工作為產(chǎn)生更大的多粒子糾纏態(tài)并進(jìn)行基于測量的量子計算鋪平了道路”。在下一步的實驗中，該研究團(tuán)隊將進(jìn)一 步降低光晶格中超冷原子的溫度，并嘗試“三步走”方案中的第二步，實現(xiàn)約百個原子比特的糾纏，開展可擴(kuò)展量子計算和量子模擬方面的實驗研究。
該研究工作得到了科技部、自然科學(xué)基金委、中科院、教育部等單位的支持。
中國科大等在超冷原子光晶格量子計算領(lǐng)域取得進(jìn)展