再登《Science》! 中科大潘建偉團(tuán)隊新突破，量子計算和模擬向前一步

本文作者：肖漫

2020-06-22 18:38

導(dǎo)語：《Science》以“首發(fā)”形式在線發(fā)布。

一周內(nèi)兩次登上國際科學(xué)期刊，中科大潘建偉團(tuán)隊太“忙”了！

6 月 15 日，《Nature》雜志刊登了潘建偉團(tuán)隊主導(dǎo)的量子通信研究《基于糾纏的千公里級安全量子加密》。

6 月 18 日，《Science》雜志以“First Release”形式刊登了潘建偉、苑震生在超冷原子量子計算和模擬研究的最新進(jìn)展，題為“Cooling and entangling ultracold atoms in optical lattices”《在光學(xué)晶格中冷卻和糾纏超低溫原子》。

再登《Science》! 中科大潘建偉團(tuán)隊新突破，量子計算和模擬向前一步

雷鋒網(wǎng)注：圖片截自 Science

在后者這項研究中，研究人員實驗了首次提出的冷卻新機(jī)制，實驗后使系統(tǒng)的熵降低了 65 倍，達(dá)到了創(chuàng)紀(jì)錄的低熵。

在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊在光晶格中首次實現(xiàn)了 1250 對原子高保真度糾纏態(tài)的同步制備，保真度為 99.3%。

晶格中原子存在填充缺陷

在量子計算領(lǐng)域，量子糾纏被視為核心資源，隨糾纏比特數(shù)目的增長，量子計算的能力也將呈指數(shù)增長。

因此，大規(guī)模糾纏態(tài)的制備、測量和相干操控成為了量子計算研究的核心問題。

通常情況下，實現(xiàn)大規(guī)模糾纏態(tài)要先同步制備大量糾纏粒子對，再通過量子邏輯門操作將其連接形成多粒子糾纏。

由此，高品質(zhì)糾纏粒子對的同步制備是實現(xiàn)大規(guī)模糾纏態(tài)的首要條件。

在實現(xiàn)量子比特的物理體系中，由于具備良好的可升擴(kuò)展性和高精度的量子操控性，光晶格超冷原子比特和超導(dǎo)比特被視為最可能率先實現(xiàn)規(guī)模化量子糾纏的系統(tǒng)。

早在 2010 年，中科大研究團(tuán)隊就與德國海德堡大學(xué)展開了合作，對基于超冷原子光晶格的可拓展量子信息處理展開聯(lián)合攻關(guān)。

研究人員開發(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。

不僅如此，每個雙阱勢用光場產(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及兩種原子自旋等自由度的高保真度量子調(diào)控。

據(jù)量子物理和量子信息研究部的說法，在早期研究中，研究團(tuán)隊使用 Rb-87 超冷原子制備了 600 多對保真度為 79% 的超冷原子糾纏態(tài)并使用該體系調(diào)控特殊的環(huán)交換相互作用產(chǎn)生四體糾纏態(tài)，模擬了拓?fù)淞孔佑嬎阒械娜我庾蛹ぐl(fā)模型。

但由于晶格中原子的溫度偏高，使其填充缺陷大于 10%，不利于形成更大的多原子糾纏態(tài)和提升糾纏保真度。

因此，光晶格超冷原子比特系統(tǒng)需要進(jìn)一步提升。

實現(xiàn)創(chuàng)紀(jì)錄低熵，獲得糾纏原子 1250 對

論文指出，研究團(tuán)隊首次提出了新制冷機(jī)制，即利用交錯式晶格結(jié)構(gòu)將處在絕緣態(tài)的冷原子浸泡到超流態(tài)中，通過絕緣態(tài)和超流態(tài)之間高效率的原子和熵的交換，以超流態(tài)低能激發(fā)的形式存儲系統(tǒng)中的熱量，再用精確的調(diào)控手段移除超流態(tài)，從而獲得低熵的填充晶格。

基于此，研究人員在一個具有 10000 個原子的量子模擬器展開了實驗。在二維平面上，研究人員將莫脫絕緣體樣品浸泡在可移動的超流體儲層中使其冷卻。

再登《Science》! 中科大潘建偉團(tuán)隊新突破，量子計算和模擬向前一步

雷鋒網(wǎng)注：圖為光晶格中原子冷卻的示意圖

結(jié)果顯示，制冷后使系統(tǒng)的熵達(dá)到了創(chuàng)紀(jì)錄的低熵，降低了 65 倍，不僅如此，晶格中原子填充率大幅提高到 99.9% 以上，達(dá)到近乎完美的程度。

在這一制冷基礎(chǔ)上，研究人員進(jìn)一步推進(jìn)研究。

研究人員開發(fā)了兩原子比特高速糾纏門，最終獲得了糾纏保真度為 99.3% 的 1250 對糾纏原子。

對此，研究人員表示，其研究為探索低能量多體相提供了一個環(huán)境，使產(chǎn)生大規(guī)模的糾纏更具可能性。

另外，對于這一研究結(jié)果，《Science》雜志的審稿人給與了正面評價：

他們在原子比特中實現(xiàn)了我所知的最低的熵，并且是在如此大的（1 萬個原子）系統(tǒng)中；不僅如此，他們還報導(dǎo)了我所知的中性原子中的最高保真度兩比特量子門。

開發(fā)光學(xué)晶格中量子氣體的新冷卻技術(shù)，是科學(xué)界獲取物質(zhì)新狀態(tài)和量子信息應(yīng)用的一個重要目標(biāo)。從這個意義而言，我認(rèn)為他們實現(xiàn)如此大的熵減是一個突破……

背后的功臣

超冷原子量子計算和模擬研究之所以能取得新突破，離不開以潘建偉、苑震生為主導(dǎo)的研究團(tuán)隊，而從其過往的研究經(jīng)歷來看，二位來頭不小。

潘建偉

潘建偉，有“量子之父”之稱，是“墨子號”的首席科學(xué)家。主要從事量子物理和量子信息等方面的研究，是國際上量子信息實驗研究領(lǐng)域開拓者之一，同時也是該領(lǐng)域具有重要國際影響力的科學(xué)家。

雖然一周連登兩次國際期刊，但潘建偉的高光，遠(yuǎn)不止如此；不僅多次登上國際期刊，還屢次創(chuàng)下記錄，主要包括：

2012 年 5 月，潘建偉在《現(xiàn)代物理評論》上發(fā)表題為“Multiphoton entanglement andinterferometry”論文；這是中國科學(xué)家在該刊物的首篇實驗論文。
2014 年 11 月，潘建偉及其它研究人員將可以抵御黑客攻擊的遠(yuǎn)程量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的安全距離擴(kuò)展至 200 公里，并將成碼率提高了 3 個數(shù)量級，創(chuàng)下世界紀(jì)錄，成果發(fā)表于《物理評論快報》。
2019 年 1 月，潘建偉團(tuán)隊獲得了 2018 年度克利夫蘭獎；這是該獎項設(shè)立 90 年來，中國科學(xué)家在本土完成的科研成果首次獲得榮譽(yù)。
2020 年，潘建偉再創(chuàng)下了世界紀(jì)錄。潘建偉、包小輝團(tuán)隊在實驗室中實現(xiàn)了長距離的量子糾纏，分別為 22 公里和 50 公里。

苑震生