中国科技大学的潘剑伟和袁振生在超冷原子的量子计算和模拟方面取得了重要进展。在理论提出和实验实现原子深度冷却新机制的基础上，他们首次实现了光学晶格中1250对原子高保真纠缠态的同步制备，为基于过冷原子光学晶格的大规模量子计算和模拟奠定了基础。北京时间6月19日，国际知名学术期刊《科学》以“首次发布”的形式在网上发布了研究成果。
基于量子力学的基本原理，量子计算和模拟被认为是后摩尔时代促进高速信息处理的颠覆性技术，有望解决高温超导机制模拟和密码破解等重大科技问题。量子纠缠是量子计算的核心资源，量子计算能力将随着纠缠比特数的增加而呈指数增长。因此，大规模纠缠态的制备、测量和相干操纵是该研究领域的核心问题。实现大规模纠缠态的常用方法是同步制备大量的纠缠粒子对，然后通过量子逻辑门将它们连接起来形成多粒子纠缠。因此，高质量纠缠粒子对的同步制备是实现大规模纠缠态的首要条件。在过去的十年里，许多实验已经证明了在光子、囚禁离子、中性原子和其他系统中操纵多个量子位进行信息处理的可行性。然而，在以往的工作中，由于纠缠对的质量和量子逻辑门的控制精度，实际量子计算和模拟人们所能准备的最大纠缠态距离所需的纠缠比特数和保真度仍然存在很大的差距。
在众多实现量子比特的物理系统中，超晶格超冷原子比特和超导比特具有良好的可扩展性和高精度的量子操作，是最有可能率先实现大规模量子纠缠的系统。自2010年以来，中国科技大学的研究团队与德国海德堡大学合作，解决基于超冷原子光学晶格的可扩展量子信息处理问题。在之前的研究中，该团队使用Rb-87超冷原子制备了600多对超冷原子纠缠态，保真度为79%[自然物理学12，783(2016)]；该系统用于调节特殊的环交换相互作用产生四体纠缠态，并模拟了拓扑量子计算[自然物理13，1195 (2017)]中的任意激发模型。在上述实验中，由于晶格中原子的高温(约10 nK)，晶格中原子填充的缺陷超过10%，这对于更大的多原子纠缠态的形成和纠缠原子对纠缠保真度的增强有很大影响。
在这项研究中，该团队首次提出了一种新的制冷机制，该机制使用交错晶格结构将处于绝缘状态的冷原子浸泡到超流体状态。通过原子和熵在绝缘态和超流态之间的高效交换，系统中的热量主要以超流态低能激发的形式储存，然后通过精确的调控手段去除超流态，从而获得低熵的完美填充晶格。实验实现了这一制冷过程。制冷后，系统的熵减少了65倍，达到了创纪录的低熵，极大地提高了晶格中原子的填充率，达到99.9%以上。在此基础上，该团队开发了一个双原子位高速纠缠门，获得了1250对纠缠原子，纠缠保真度为99.3%。
光学晶格中原子冷却的示意图。处于绝缘状态的样品原子(绿松石球)交替浸泡在超流体状态的环境原子(红色球)中。原子和熵在两种状态之间的高效交换导致了具有不容易激发的能隙的绝缘状态，并且系统中的热量主要以超流态低能激发的形式储存。
《科学》的评论者对这项工作给予了高度评价：“他们已经达到了我所知的原子比特的最低熵，并且在如此大的(10000个原子)系统中；此外，他们报道了中性原子中保真度最高的两位量子门(他们显示了我所知的原子寄存器中的最低熵/文章，不低于这个大小的一个(10 ^ 4)；此外，他们报道了我所知的中性原子的最高保真度双量子位门0.993(1))“为了研究新的物理状态和满足量子信息处理的要求，发展新的晶格量子气体制冷技术是学术界的一个重要目标。有鉴于此，我认为他们实现如此大的熵减少是一个突破。物质的tes和量子信息应用。在这个意义上，我认为这里展示的令人印象深刻的熵减少因子是一个突破
在这项研究工作的基础上，该研究团队将通过连接多对纠缠原子来制备数十到数百个原子比特的纠缠态，从而实现复杂强关联多体系统的单向量子计算和量子模拟。同时，本工作中的新制冷技术将有助于超冷费米子系统的深度冷却，使系统达到模拟高温超导物理机制的苛刻温度区。研究成果将极大地推动量子计算和模拟的发展。
该研究得到了科技部、国家自然科学基金、中国科学院、教育部和安徽省的支持。
