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9月6日，記者從中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，中國(guó)科學(xué)家近日成功制備出一種可擴(kuò)展多原子糾纏態(tài)，平均保真度為95.6%，壽命為2.2秒。這一重要成果為未來(lái)開展更大規(guī)模的光晶格量子計(jì)算和模擬打下基礎(chǔ)。

這項(xiàng)研究由中國(guó)科大潘建偉院士、苑震生教授等與清華大學(xué)馬雄峰副教授、復(fù)旦大學(xué)周游副研究員合作完成。他們使用光晶格中束縛的超冷原子，通過制備二維原子陣列、產(chǎn)生原子比特糾纏對(duì)、連接糾纏對(duì)的分步擴(kuò)展方式制備了多原子糾纏態(tài)，并通過顯微學(xué)技術(shù)調(diào)控和觀測(cè)了其糾纏性質(zhì)，向制備和測(cè)控大規(guī)模中性原子糾纏態(tài)邁出重要一步。

量子糾纏是量子計(jì)算的核心資源，量子計(jì)算的能力將隨糾纏比特?cái)?shù)目的增長(zhǎng)呈指數(shù)增長(zhǎng)。因而，大規(guī)模糾纏態(tài)的制備、測(cè)量和相干操控是該研究領(lǐng)域的核心問題。在實(shí)現(xiàn)量子比特的眾多物理體系中，光晶格中的超冷原子比特具備良好的相干性、可擴(kuò)展性和高精度的量子操控性，成為實(shí)現(xiàn)量子信息處理的理想物理體系之一。

自2010年開始，中國(guó)科大研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)地研究了光晶格中原子的多體相變、原子相互作用、熵分布動(dòng)力學(xué)等，并于2020年實(shí)現(xiàn)糾纏保真度為99.3%的1000多對(duì)原子糾纏態(tài)。這一系列研究工作推動(dòng)了原子糾纏對(duì)保真度的提升和原子并行操控能力的增強(qiáng)，為連接擴(kuò)展成更大的多原子糾纏態(tài)、進(jìn)而開展量子計(jì)算研究打下基礎(chǔ)。

但是，在之前的工作中，由于技術(shù)上對(duì)單原子比特操控能力仍然不足、光晶格相位漂移較大、缺乏多原子糾纏判定的有效方法，進(jìn)一步連接糾纏對(duì)和測(cè)控多原子糾纏態(tài)遇到了瓶頸問題。

為解決上述問題，潘建偉、苑震生團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種新型的超晶格系統(tǒng)，并集成了自主研發(fā)的多項(xiàng)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了晶格相位長(zhǎng)期穩(wěn)定。在此基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)取得了填充率為99.2%的原子二維陣列的制備及原位觀測(cè)，選擇其中49對(duì)原子制備了糾纏貝爾態(tài)，平均保真度為95.6%，壽命為2.2秒。

之后，科研人員進(jìn)一步使用糾纏門將相鄰糾纏對(duì)連接起來(lái)，制備了10原子一維糾纏鏈和8原子二維糾纏塊，首次突破了光晶格中原子糾纏對(duì)連接和多原子糾纏判定的瓶頸，為開展更大規(guī)模的光晶格量子計(jì)算和模擬打下基礎(chǔ)。

苑震生教授介紹，2.2秒是制備的每對(duì)原子糾纏態(tài)的壽命，指的是其保真度從100%降到37%時(shí)所用的時(shí)間。相同實(shí)驗(yàn)條件下，這個(gè)壽命越長(zhǎng)，越有利于像“搭積木”一樣，把多對(duì)糾纏態(tài)連接到一起，組成一個(gè)大的糾纏態(tài)，同時(shí)還保持足夠好的糾纏品質(zhì)。

這項(xiàng)研究成果近日發(fā)表于著名物理學(xué)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》，審稿專家表示：“此工作向使用光晶格體系開展基于測(cè)量的量子計(jì)算邁出了重要一步?！?/p>

合報(bào)科學(xué)+融媒體工作室 合肥通客戶端-合報(bào)全媒體記者 劉暢司晨

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