中國科大等在超冷原子光晶格量子計算領域取得進展

　　最近，中國科學技術大學潘建偉及其同事苑震生、陳宇翱等在國際上首次實現了對光晶格中超冷原子自旋比特糾纏態的產生、操控和探測，向基于超冷原子的可擴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表在《自然-物理學》（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的比特數僅是十個左右，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上面臨重大困難，其中最關鍵的問題是如何產生和測控大量量子比特的糾纏態，并進一步開展容錯的量子計算。

　　國際著名物理學家、諾貝爾獎獲得者Anthony Leggett在他的《二維中的物理學》講義中指出，隨著近年來超冷原子量子調控技術的發展，囚禁在光晶格中的超冷原子成為解決這個關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有且只有一個原子比特的人工晶體上，為可拓展的糾纏態產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到秒的量級，并具有優異的可操控性。

　　基于超冷原子光晶格體系的可拓展糾纏態產生的“三步走”方案： ①通過超流態到絕緣態的相變過程，實驗獲得二維光晶格每個格點有一個原子比特人工晶體，產生規則排列的原子比特糾纏對；②連接相鄰的原子比特糾纏對，并行實現彼此平行的橫向鏈狀原子糾纏簇態；③縱向并行連接糾纏原子鏈，實現二維的糾纏簇態，形成單向量子計算的基本資源。該工作實現了以上步驟中最關鍵的第一步，即下圖中的規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；右側的圖是實驗中為了定量描述原子糾纏所采集的相關數據。

　　基于超冷原子光晶格體系，2008年牛津大學的Jaksch小組提出了可拓展糾纏態產生的“三步走”方案，其中第一步就是并行的產生相鄰原子比特之間的糾纏，形成大量的原子比特糾纏對。之后再經過橫向連接和縱向連接兩步即可實現大量量子比特的二維糾纏態，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，馬普量子光學所的Bloch小組實驗演示了調控超晶格中相鄰原子超交換相互作用的能力。此后，科學家們為了實現“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。

　　中國科大研究團隊與德國海德堡大學合作，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合攻關。研究團隊首先把Rb87超冷原子BEC裝載到三維光晶格中的一層，進一步蒸發冷卻原子到低于10納開的超低溫，并實現了這層二維晶格中的超流態到Mott絕緣態的量子相變，從而獲得了每個格點上有且只有一個原子的人工晶體。研究人員創造性地開發了具有自旋依賴特性的超晶格系統，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生了有效磁場梯度，結合微波場，實現了對超晶格中左右格點及兩種原子自旋等自由度的高保真度量子調控。該團隊還開發了光學分辨約為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。通過以上關鍵實驗技術的突破，該研究團隊獲得了光晶格中超冷原子量子調控能力的大幅提升，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，即可擴展糾纏態制備“三步走”方案中最關鍵的第一步，邁出了面向可升級量子計算的重要一步。

　　《自然-物理學》審稿人認為，“這一工作為產生更大的多粒子糾纏態并進行基于測量的量子計算鋪平了道路”。在下一步的實驗中，該研究團隊將進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，實現約百個原子比特的糾纏，開展可擴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域取得進展