再登《Science》! 中科大潘建偉團隊新突破，量子計算和模擬向前一步

本文作者：肖漫

2020-06-22 18:38

導語：《Science》以“首發(fā)”形式在線發(fā)布。

一周內兩次登上國際科學期刊，中科大潘建偉團隊太“忙”了！

6 月 15 日，《Nature》雜志刊登了潘建偉團隊主導的量子通信研究《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展，題為“Cooling and entangling ultracold atoms in optical lattices”《在光學晶格中冷卻和糾纏超低溫原子》。

再登《Science》! 中科大潘建偉團隊新突破，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制，實驗后使系統(tǒng)的熵降低了 65 倍，達到了創(chuàng)紀錄的低熵。

在此基礎上，研究團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展性和高精度的量子操控性，光晶格超冷原子比特和超導比特被視為最可能率先實現(xiàn)規(guī)?；孔蛹m纏的系統(tǒng)。

早在 2010 年，中科大研究團隊就與德國海德堡大學展開了合作，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。

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生了有效磁場梯度，結合微波場，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)并使用該體系調控特殊的環(huán)交換相互作用產生四體糾纏態(tài)，模擬了拓撲量子計算中的任意子激發(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)需要進一步提升。

實現(xiàn)創(chuàng)紀錄低熵，獲得糾纏原子 1250 對

論文指出，研究團隊首次提出了新制冷機制，即利用交錯式晶格結構將處在絕緣態(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

結果顯示，制冷后使系統(tǒng)的熵達到了創(chuàng)紀錄的低熵，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，達到近乎完美的程度。

在這一制冷基礎上，研究人員進一步推進研究。

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，使產生大規(guī)模的糾纏更具可能性。

另外，對于這一研究結果，《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)光學晶格中量子氣體的新冷卻技術，是科學界獲取物質新狀態(tài)和量子信息應用的一個重要目標。從這個意義而言，我認為他們實現(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、苑震生為主導的研究團隊，而從其過往的研究經歷來看，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域開拓者之一，同時也是該領域具有重要國際影響力的科學家。

雖然一周連登兩次國際期刊，但潘建偉的高光，遠不止如此；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程量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的安全距離擴展至 200 公里，并將成碼率提高了 3 個數(shù)量級，創(chuàng)下世界紀錄，成果發(fā)表于《物理評論快報》。
2019 年 1 月，潘建偉團隊獲得了 2018 年度克利夫蘭獎；這是該獎項設立 90 年來，中國科學家在本土完成的科研成果首次獲得榮譽。
2020 年，潘建偉再創(chuàng)下了世界紀錄。潘建偉、包小輝團隊在實驗室中實現(xiàn)了長距離的量子糾纏，分別為 22 公里和 50 公里。

苑震生