再登《Science》! 中科大潘建伟团队新突破 量子计算和模拟向前一步

题为“Cooling and entangling ultracold atoms in optical lattices”《在光学晶格中冷却和纠缠超低温原子》。

在后者这项研究中，研究人员实验了首次提出的冷却新机制，实验后使系统的熵降低了 65 倍，达到了创纪录的低熵。

在此基础上，研究团队在光晶格中首次实现了 1250 对原子高保真度纠缠态的同步制备，保真度为 99.3%。

晶格中原子存在填充缺陷

在量子计算领域，量子纠缠被视为核心资源，随纠缠比特数目的增长，量子计算的能力也将呈指数增长。

因此，大规模纠缠态的制备、测量和相干操控成为了量子计算研究的核心问题。

通常情况下，实现大规模纠缠态要先同步制备大量纠缠粒子对，再通过量子逻辑门操作将其连接形成多粒子纠缠。

由此，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。

在实现量子比特的物理体系中，由于具备良好的可升扩展性和高精度的量子操控性，光晶格超冷原子比特和超导比特被视为最可能率先实现规模化量子纠缠的系统。

早在 2010 年，中科大研究团队就与德国海德堡大学展开了合作，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。

研究人员开发了具有自旋依赖特性的超晶格系统，形成了一系列并行的双阱势。

不仅如此，每个双阱势用光场产生了有效磁场梯度，结合微波场，实现了对超晶格中左右格点及两种原子自旋等自由度的高保真度量子调控。

据量子物理和量子信息研究部的说法，在早期研究中，研究团队使用 Rb-87 超冷原子制备了 600 多对保真度为 79% 的超冷原子纠缠态并使用该体系调控特殊的环交换相互作用产生四体纠缠态，模拟了拓扑量子计算中的任意子激发模型。

但由于晶格中原子的温度偏高，使其填充缺陷大于 10%，不利于形成更大的多原子纠缠态和提升纠缠保真度。

因此，光晶格超冷原子比特系统需要进一步提升。

实现创纪录低熵，获得纠缠原子 1250 对

论文指出，研究团队首次提出了新制冷机制，即利用交错式晶格结构将处在绝缘态的冷原子浸泡到超流态中，通过绝缘态和超流态之间高效率的原子和熵的交换，以超流态低能激发的形式存储系统中的热量，再用精确的调控手段移除超流态，从而获得低熵的填充晶格。

基于此，研究人员在一个具有 10000 个原子的量子模拟器展开了实验。在二维平面上，研究人员将莫脱绝缘体样品浸泡在可移动的超流体储层中使其冷却。

图为光晶格中原子冷却的示意图

结果显示，制冷后使系统的熵达到了创纪录的低熵，降低了 65 倍，不仅如此，晶格中原子填充率大幅提高到 99.9% 以上，达到近乎完美的程度。

在这一制冷基础上，研究人员进一步推进研究。

研究人员开发了两原子比特高速纠缠门，最终获得了纠缠保真度为 99.3% 的 1250 对纠缠原子。

对此，研究人员表示，其研究为探索低能量多体相提供了一个环境，使产生大规模的纠缠更具可能性。

另外，对于这一研究结果，《Science》杂志的审稿人给与了正面评价：

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；不仅如此，他们还报导了我所知的中性原子中的最高保真度两比特量子门。

开发光学晶格中量子气体的新冷却技术，是科学界获取物质新状态和量子信息应用的一个重要目标。从这个意义而言，我认为他们实现如此大的熵减是一个突破……

背后的功臣

超冷原子量子计算和模拟研究之所以能取得新突破，离不开以潘建伟、苑震生为主导的研究团队，而从其过往的研究经历来看，二位来头不小。

潘建伟

潘建伟，有“量子之父”之称，是“墨子号”的首席科学家。主要从事量子物理和量子信息等方面的研究，是国际上量子信息实验研究领域开拓者之一，同时也是该领域具有重要国际影响力的科学家。

虽然一周连登两次国际期刊，但潘建伟的高光，远不止如此；不仅多次登上国际期刊，还屡次创下记录，主要包括：

• 2012 年 5 月，潘建伟在《现代物理评论》上发表题为“Multiphoton entanglement andinterferometry”论文；这是中国科学家在该刊物的首篇实验论文。
• 2014 年 11 月，潘建伟及其它研究人员将可以抵御黑客攻击的远程量子密钥分发系统的安全距离扩展至 200 公里，并将成码率提高了 3 个数量级，创下世界纪录，成果发表于《物理评论快报》。
• 2019 年 1 月，潘建伟团队获得了 2018 年度克利夫兰奖；这是该奖项设立 90 年来，中国科学家在本土完成的科研成果首次获得荣誉。
• 2020 年，潘建伟再创下了世界纪录。潘建伟、包小辉团队在实验室中实现了长距离的量子纠缠，分别为 22 公里和 50 公里。

苑震生

苑震生，中国科学技术大学教授，其研究方向包括超冷原子量子调控、量子光学，以及原子分子物理。

据量子物理与量子信息研究部官方介绍，苑震生教授在国际权威学术期刊上发表研究论文多达 40 余篇，总引用 2000 次。

其中包括：

• 2007 年，在国际首次实验实现光子纠缠和操作以及基于量子存储的量子隐形传态，研究成果发表于《Nature Physics》；
• 2008 年，实验实现量子中继器基本节点，研究发表于《Nature》;
• 2017 年，与潘建伟教授等人通过量子调控的方法，首次在超冷原子体系中观测到任意子激发，研究发表于《自然·物理学》；
• ·······

尽管这些“最可爱的人”已取得了许多成就，但他们仍未停歇，不断用新的研究成果刷新着我国在量子计算和模拟的进步。