人(ren)民網北京6月19日電(dian)（趙(zhao)竹(zhu)青）1250對(dui)！潘(pan)建偉(wei)團(tuan)隊成果凌晨再登《科(ke)學(xue)》。記者從(cong)中(zhong)國科(ke)學(xue)院采訪獲(huo)悉，中(zhong)國科(ke)學(xue)技術大學(xue)潘(pan)建偉(wei)、苑震生等在超冷原(yuan)子量子計算和模擬研究中(zhong)取得重要(yao)進展。

   此次進展主要是(shi)在超(chao)冷(leng)(leng)原子(zi)(zi)(zi)光(guang)(guang)(guang)晶格(ge)(ge)中(zhong)實現(xian)大規模(mo)(mo)高保(bao)真度(du)量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)糾纏對的(de)同步制(zhi)(zhi)備(bei)。他們(men)在理論上提出并實驗實現(xian)原子(zi)(zi)(zi)深度(du)冷(leng)(leng)卻新機制(zhi)(zhi)的(de)基礎上，在光(guang)(guang)(guang)晶格(ge)(ge)中(zhong)首(shou)次實現(xian)了1250對原子(zi)(zi)(zi)高保(bao)真度(du)糾纏態的(de)同步制(zhi)(zhi)備(bei)，為基于(yu)超(chao)冷(leng)(leng)原子(zi)(zi)(zi)光(guang)(guang)(guang)晶格(ge)(ge)的(de)規模(mo)(mo)化量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)計算與模(mo)(mo)擬奠定了基礎。

   北京時間6月19日，國際著名學術期刊《科學》雜(za)志以“First Release（預(yu)先發(fa)布）”形式在線發(fa)布了該研究成果。

   聚焦未來顛覆(fu)性技(ji)術：量子計算和量子模擬

   基于量子(zi)(zi)力(li)學(xue)的基本原理，量子(zi)(zi)計(ji)(ji)算和(he)(he)模(mo)擬被(bei)認為是(shi)后摩(mo)爾時代推動高速信(xin)息(xi)處理的顛覆性技術(shu)，有望解(jie)決諸如高溫超導機(ji)制模(mo)擬、密碼(ma)破解(jie)等重大(da)科學(xue)和(he)(he)技術(shu)問題。量子(zi)(zi)糾纏(chan)(chan)是(shi)量子(zi)(zi)計(ji)(ji)算的核心資源，量子(zi)(zi)計(ji)(ji)算的能力(li)將(jiang)隨(sui)糾纏(chan)(chan)比特(te)數(shu)目(mu)的增(zeng)長呈(cheng)指數(shu)增(zeng)長。

   因而，大規模糾纏態的制備、測量和(he)相(xiang)干操控是(shi)該(gai)研(yan)究(jiu)領域(yu)的核心問題。

   實(shi)現(xian)大(da)(da)規模糾(jiu)纏(chan)(chan)態(tai)(tai)的通常途徑是，先同步制備大(da)(da)量(liang)糾(jiu)纏(chan)(chan)粒(li)子(zi)對(dui)，然后通過量(liang)子(zi)邏輯門操作將其連接形成多粒(li)子(zi)糾(jiu)纏(chan)(chan)。因此，高品質糾(jiu)纏(chan)(chan)粒(li)子(zi)對(dui)的同步制備是實(shi)現(xian)大(da)(da)規模糾(jiu)纏(chan)(chan)態(tai)(tai)的首要條(tiao)件(jian)。

   研究人員(yuan)介紹(shao)，十幾年來，已有很多實驗在光子、囚禁(jin)離子、中(zhong)性(xing)原(yuan)子等系(xi)統中(zhong)演示(shi)了操控(kong)多個(ge)量(liang)子比(bi)特進行信息處理(li)的(de)可行性(xing)。“但是，以(yi)往的(de)工作(zuo)中(zhong)，受(shou)限于(yu)糾(jiu)纏對的(de)品質和(he)(he)(he)量(liang)子邏(luo)輯門(men)的(de)操控(kong)精度，目前人們所能制備的(de)最(zui)大糾(jiu)纏態距離實用化的(de)量(liang)子計算(suan)和(he)(he)(he)模(mo)擬所需的(de)糾(jiu)纏比(bi)特數(shu)和(he)(he)(he)保(bao)真(zhen)度還有很大差距。”

   創紀錄(lu)“低熵”：大(da)規模高保真制備量子糾纏(chan)

   在實(shi)現量子(zi)比特(te)的(de)眾多(duo)物理體系中(zhong)，光(guang)晶格(ge)超(chao)冷(leng)原子(zi)比特(te)和(he)超(chao)導(dao)比特(te)具備良(liang)好的(de)可(ke)升擴展性和(he)高精度的(de)量子(zi)操控性，是(shi)最有可(ke)能率先(xian)實(shi)現規模化量子(zi)糾纏的(de)系統。

   “我國(guo)在此領域走在前列。”科研人員介紹，自2010年開(kai)始，中國(guo)科大(da)研究(jiu)團隊與(yu)德國(guo)海(hai)德堡大(da)學合(he)作(zuo)，對基(ji)于超冷原子(zi)光(guang)晶格的可(ke)拓展量(liang)子(zi)信息處理展開(kai)聯(lian)合(he)攻關。

   據(ju)介(jie)紹(shao)，在前期的(de)(de)研究中(zhong)(zhong)，該團隊使用Rb-87超(chao)冷(leng)原子制(zhi)備了600多(duo)對保(bao)真度(du)為(wei)79%的(de)(de)超(chao)冷(leng)原子糾(jiu)(jiu)(jiu)纏(chan)態(tai)；并使用該體系(xi)調控特殊(shu)的(de)(de)環交換相互作(zuo)用產生四(si)體糾(jiu)(jiu)(jiu)纏(chan)態(tai)，模擬了拓撲量子計算中(zhong)(zhong)的(de)(de)任(ren)意子激發(fa)模型。以上的(de)(de)實驗(yan)中(zhong)(zhong)，由于晶格中(zhong)(zhong)原子的(de)(de)溫度(du)偏高（約(yue)10 nK），使得晶格中(zhong)(zhong)原子填充缺陷大于10%，這對于糾(jiu)(jiu)(jiu)纏(chan)原子對連接形(xing)成更大的(de)(de)多(duo)原子糾(jiu)(jiu)(jiu)纏(chan)態(tai)和提(ti)升糾(jiu)(jiu)(jiu)纏(chan)保(bao)真度(du)有很大的(de)(de)影響。

   在這項研究中(zhong)，團隊首次(ci)提出了(le)使用交錯式晶格結構將(jiang)(jiang)處在絕(jue)緣(yuan)(yuan)態(tai)(tai)(tai)(tai)的(de)冷原子浸(jin)泡到超(chao)(chao)流態(tai)(tai)(tai)(tai)冷原子中(zhong)的(de)新制冷機(ji)制，通(tong)過絕(jue)緣(yuan)(yuan)態(tai)(tai)(tai)(tai)和超(chao)(chao)流態(tai)(tai)(tai)(tai)之間高效率的(de)原子和熵的(de)交換，使系統中(zhong)的(de)熱(re)量(liang)主要以超(chao)(chao)流態(tai)(tai)(tai)(tai)低能激發的(de)形(xing)式存(cun)儲，再(zai)用精確的(de)調控手段將(jiang)(jiang)超(chao)(chao)流態(tai)(tai)(tai)(tai)移(yi)除，從(cong)而獲得低熵的(de)完美(mei)填充(chong)晶格。

   該實驗(yan)實現了(le)這一制冷過程，制冷后使(shi)系統的(de)熵降(jiang)低了(le)65倍，達到了(le)創紀錄的(de)低熵，使(shi)得(de)晶格中原(yuan)子(zi)填充率大幅提高到99.9%以上(shang)。在此(ci)基礎上(shang)，該團隊開發(fa)了(le)兩原(yuan)子(zi)比特(te)高速糾(jiu)纏(chan)門(men)，獲得(de)了(le)糾(jiu)纏(chan)保真(zhen)度為99.3%的(de)1250對糾(jiu)纏(chan)原(yuan)子(zi)。

   研(yan)究將極大推(tui)動量(liang)子計(ji)算和模擬領域的發展(zhan)

   《科(ke)學》雜志的(de)(de)(de)審稿人對該工作給(gei)予高度(du)評價：“他(ta)們在原(yuan)(yuan)子(zi)比特中(zhong)實現了我(wo)所(suo)知(zhi)的(de)(de)(de)最(zui)低的(de)(de)(de)熵(shang)，并(bing)且(qie)是(shi)在如此大的(de)(de)(de)（1萬個原(yuan)(yuan)子(zi)）系統中(zhong)；進一步，他(ta)們報導了我(wo)所(suo)知(zhi)的(de)(de)(de)中(zhong)性原(yuan)(yuan)子(zi)中(zhong)的(de)(de)(de)最(zui)高保真度(du)兩比特量(liang)子(zi)門。”

   “開發新(xin)的晶格量子氣體(ti)制(zhi)冷技術，是該學界為(wei)了(le)研究新(xin)物態和滿足量子信息處(chu)理需求的重要(yao)目標。有(you)鑒于此，我認為(wei)他們實現如此大的熵減是一個(ge)突(tu)破……”

   此項成果對于未來的(de)科研(yan)(yan)(yan)發(fa)展有(you)何意義？中科大科研(yan)(yan)(yan)人(ren)員告訴記者，在該研(yan)(yan)(yan)究(jiu)工作的(de)基(ji)礎上，研(yan)(yan)(yan)究(jiu)團隊將通(tong)過連接多對糾纏(chan)原子的(de)方法，制備幾十到(dao)上百個原子比特的(de)糾纏(chan)態，用以開展單向量子計算和復雜強(qiang)關(guan)聯多體(ti)系統(tong)量子模擬研(yan)(yan)(yan)究(jiu)。

   同時，該(gai)工作中的新制冷(leng)(leng)技(ji)術將(jiang)有助(zhu)于對超冷(leng)(leng)費米(mi)子系統的深(shen)度(du)冷(leng)(leng)卻(que)，使得系統達到模擬高溫(wen)超導物(wu)理(li)機制的苛(ke)刻(ke)溫(wen)區(qu)。

   該(gai)研究工作得到了(le)科(ke)技部、國家自然科(ke)學基金委(wei)、中科(ke)院、教育部和安徽省等(deng)的支持。