超冷原子光晶格量子计算取得重大突破

中国经济网北京8月18日讯（记者佘惠敏、通讯员杨保国）中国科学技术大学潘建伟院士及其同事苑震生、陈宇翱教授等在国际上初次完成对光晶格中超冷原子自旋比特纠缠态的产生、操控和探测，向基于超冷原子的可扩大量子计算和量子模仿迈出了重要一步。日前，国际威望学术期刊《自然?物理学》以研究长文的方式报道了这项重要研究成果。

基于量子力学基起源基础理，量子信息处置技术被以为是后摩尔时期推进高速信息处置的推翻性技术。近十几年来，该研究领域被普遍关注，已有许多试验演示了操控多个量子比特进行信息处置的可行性。但迄今这些试验中所能操控的纠缠态的比特数仅在十个左右，而将来适用化的量子计算系统需求同时操控几十甚至上百个量子比特。所以，可拓展量子信息处置如今仍面对重大困难，其中最关键的问题是如何产生和测控大批量子比特的纠缠态，并进一步展开容错的量子计算。

国际知名物理学家、诺贝尔奖取得者Anthony Leggett提出，跟随最近几年来超冷原子量子调控技术的发展，软禁在光晶格中的超冷原子成为处理这个关键问题的理想系统之一。在该系统中，不计其数的超冷原子在极低温下通过量子相变被制备到每个格点只有一个原子比特的人工晶体上，为可拓展的纠缠态产生提供大批的量子比特资源；同时，超冷原子量子比特的相关时间能够达到秒量级，并具有优良的可操控性。

基于超冷原子光晶格系统的可拓展纠缠态产生的“三步走”方案是：首先，通过超流态到绝缘态的相变过程，使原子只能待在各自的格点上，试验取得二维光晶格每个格点只有一个原子比特的人工晶体，产生规则排列的原子比特纠缠对；然后，衔接相邻的原子比特纠缠对，并行完成彼此平行的横向链状原子纠缠簇态；第三，纵向并行衔接纠缠原子链，完成二维的纠缠簇态，构成单向量子计算的基本资源。最近几年来，科学家们为完成该方案中的第一步做出了庞大尽力，但因为试验中的各类困难一直没有取得冲破。

中国科大研究团队与德国海德堡大学协作，自2010年开始对基于光晶格可拓展量子信息处置研究展开联合攻关。他们首先把超冷铷原子的玻色-爱因斯坦凝集态装载到三维光晶格中的一层，进一步蒸发冷却原子到低于10纳开（比零下273.15摄氏度高1亿分之一摄氏度）的超低温，并完成了这层二维晶格中的超流态到莫特绝缘态的量子相变，从而取得了每个格点上只有一个原子的人工晶体。他们制造性地开发出具有自旋依附特征的超晶格系统，构成了一系列并行的原子对，而且在原子对所在的格点间用光场产生有用磁场梯度，联合微波场，完成了对超晶格中左右格点及两种原子自旋等自在度的高保真器量子调控。他们还开发了光学辨别约为1微米的超冷原子显微镜，对这层晶格中的原子进行高辨别原位成像。

通过以上关键试验技术的冲破，该研究团队取得了光晶格中超冷原子量子调控能力的大幅提高，从而初次在光晶格中并行制备并测控了约600对超冷原子比特纠缠对，即完成了可扩大纠缠态制备“三步走”方案中最关键的第一步，迈出了面向可升级量子计算的重要一步。

《自然?物理》审稿人以为，“这一工作为产生更大的多粒子纠缠态并进行基于丈量的量子计算摊平了路径”。