清華新聞網(wǎng)9月13日電 近日，清華大學(xué)交叉信息研究院馬雄峰課題組與中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士、苑震生教授，復(fù)旦大學(xué)周游副研究員合作，成功制備出一種可擴(kuò)展多原子糾纏態(tài)，向制備和測(cè)控大規(guī)模中性原子糾纏態(tài)邁出重要一步。
量子糾纏是量子計(jì)算的核心資源，量子計(jì)算能力隨糾纏比特?cái)?shù)目的增加呈指數(shù)增長(zhǎng)。因此，大規(guī)模多體量子糾纏的制備、測(cè)量與操控成為衡量當(dāng)前量子計(jì)算機(jī)性能的關(guān)鍵指標(biāo)。但在此前工作中，受制于單原子比特操控技術(shù)、光晶格相位漂移、多原子糾纏判定方法等問(wèn)題，進(jìn)一步連接糾纏對(duì)和測(cè)控多原子糾纏態(tài)遇到瓶頸。
為突破瓶頸問(wèn)題，馬雄峰研究組自2018年與合作者確定了在超冷原子光晶格中制備和驗(yàn)證多體量子糾纏的目標(biāo)。超冷原子系統(tǒng)因其可靠的初始化和高精度的量子控制，被認(rèn)為是制備多體糾纏、進(jìn)行量子信息處理的出色平臺(tái)。然而，該系統(tǒng)面臨著理論驗(yàn)證與實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的雙重挑戰(zhàn)。
基于對(duì)量子糾纏基礎(chǔ)理論和應(yīng)用研究的長(zhǎng)期探索，馬雄峰研究組與合作者密切交流，通過(guò)拓展穩(wěn)定子態(tài)的定義，進(jìn)一步提出糾纏制備和測(cè)量理論方案。這些系列理論工作，為提升原子糾纏保真度和原子并行操控能力，連接擴(kuò)展多原子糾纏態(tài)，以及開(kāi)展量子計(jì)算研究奠定了基礎(chǔ)。
圖1.量子氣體顯微鏡和晶格中多體糾纏態(tài)示意圖
最終，該合作項(xiàng)目取得了填充率高達(dá)99.2%的原子二維陣列的制備及原位觀(guān)測(cè)，選擇了49對(duì)原子制備了高度糾纏的貝爾態(tài)，其平均保真度達(dá)到了95.6%，壽命為2.2秒，均處于世界領(lǐng)先水平。同時(shí)，該項(xiàng)目利用糾纏門(mén)技術(shù)連接相鄰的糾纏對(duì)，首次成功制備了10原子一維糾纏鏈和8原子二維糾纏塊，這是邁向制備量子計(jì)算所需的大規(guī)模量子糾纏至關(guān)重要的一步。
圖2.一維、二維糾纏態(tài)的實(shí)驗(yàn)制備流程示意簡(jiǎn)圖
該成果不僅突破了光晶格中原子糾纏對(duì)連接和多原子糾纏態(tài)判定的瓶頸，也為未來(lái)高性能量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展提供關(guān)鍵技術(shù)支持。
相關(guān)論文“光學(xué)格柵中自旋交換產(chǎn)生的可伸縮多粒子糾纏”（Scalable Multipartite Entanglement Created by Spin Exchange in an Optical Lattice）近日發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）上，得到廣泛報(bào)道。
論文鏈接：
https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.131.073401
供稿：交叉信息研究院
題圖設(shè)計(jì)：任帥
編輯：李華山
審核：郭玲
