中国首次实现光晶格中1250对原子高保真度纠缠态同步制备

光晶格中原子冷却的示意图。将处在绝缘态的样品原子（蓝绿色球）交错浸泡到处在超流态的环境原子（红色球）中，这两种状态之间高效率的原子和熵的交换，导致有能隙的绝缘态不易被激发，系统中的热量主要以超流态低能激发的形式存储。　中国科大团队 供图

中国科学院6月19日发布消息说，中国科学技术大学潘建伟院士、苑震生教授等在超冷原子量子计算和模拟研究中取得重要进展——他们在理论上提出并实验实现原子深度冷却新机制的基础上，在光晶格中首次实现1250对原子高保真度纠缠态的同步制备，为基于超冷原子光晶格的规模化量子计算与模拟奠定基础。

这项将极大推动量子计算和模拟领域发展的研究成果论文，当日在国际著名学术期刊《科学》以“First Release”形式在线发表。《科学》审稿人对该研究给与高度评价称，“他们在原子比特中实现了我所知的最低的熵，并且是在如此大的(1万个原子)系统中”“开发新的晶格量子气体制冷技术，是该学界为了研究新物态和满足量子信息处理需求的重要目标”。

在实现量子比特的众多物理体系中，光晶格超冷原子比特和超导比特具备良好的可升扩展性和高精度的量子操控性，是最有可能率先实现规模化量子纠缠的系统。自2010年开始，中国科大研究团队与德国海德堡大学合作，对基于超冷原子光晶格的可拓展量子信息处理展开联合攻关。该团队前期研究中已制备600多对保真度为79%的超冷原子纠缠态，但由于晶格中原子的温度偏高，使得晶格中原子填充缺陷大于10%，这对纠缠原子对连接形成更大的多原子纠缠态和提升纠缠保真度有很大影响。

在最新完成的实验研究中，中国科大团队首次提出使用交错式晶格结构将处在绝缘态的冷原子浸泡到超流态冷原子中的新制冷机制，制冷后使系统的熵降低65倍，达到创纪录的低熵，使得晶格中原子填充率大幅提高到99.9%以上。在此基础上，研究团队开发出两原子比特高速纠缠门，获得纠缠保真度为99.3%的1250对纠缠原子。

中国科大团队表示，后续将通过连接多对纠缠原子的方法，制备几十到上百个原子比特的纠缠态，用以开展单向量子计算和复杂强关联多体系统量子模拟研究。同时，研究成果中的新制冷技术，也将有助于对超冷费米子系统的深度冷却，使得系统达到模拟高温超导物理机制的苛刻温区。

据了解，基于量子力学的基本原理，量子计算和模拟被认为是后摩尔时代推动高速信息处理的颠覆性技术，有望解决诸如高温超导机制模拟、密码破解等重大科学和技术问题。量子纠缠是量子计算的核心资源，量子计算的能力将随纠缠比特数目的增长呈指数增长。因此，大规模纠缠态的制备、测量和相干操控是该研究领域的核心问题，而高品质纠缠粒子对的同步制备是实现大规模纠缠态的首要条件。

(原标题：中国量子研究：光晶格中首次实现1250对原子高保真度纠缠态同步制备)