光晶格中原子冷卻的示意圖。將處在絕緣態(tài)的樣品原子（藍綠色球）交錯浸泡到處在超流態(tài)的環(huán)境原子（紅色球）中，這兩種狀態(tài)之間高效率的原子和熵的交換，導致有能隙的絕緣態(tài)。

此次進(jìn)展主要是在超冷原子光晶格中實(shí)現大規模高保真度量子糾纏對的同步制備。他們在理論上提出并實(shí)驗實(shí)現原子深度冷卻新機制的基礎上，在光晶格中..實(shí)現了1250對原子高保真度糾纏態(tài)的同步制備，為基于超冷原子光晶格的規模化量子計算與模擬奠定了基礎。

北京時(shí)間6月19日，國際..學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》雜志以“First Release（預先發(fā)布）”形式在線(xiàn)發(fā)布了該研究成果。

聚焦未來(lái)顛覆性技術(shù)：量子計算和量子模擬

基于量子力學(xué)的基本原理，量子計算和模擬被認為是后摩爾時(shí)代推動(dòng)高速信息處理的顛覆性技術(shù)，有望解決諸如高溫超導機制模擬、密碼破解等重大科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題。量子糾纏是量子計算的核心資源，量子計算的能力將隨糾纏比特數目的增長(cháng)呈指數增長(cháng)。

因而，大規模糾纏態(tài)的制備、測量和相干操控是該研究領(lǐng)域的核心問(wèn)題。實(shí)現大規模糾纏態(tài)的通常途徑是，先同步制備大量糾纏粒子對，然后通過(guò)量子邏輯門(mén)操作將其連接形成多粒子糾纏。因此，高品質(zhì)糾纏粒子對的同步制備是實(shí)現大規模糾纏態(tài)的首要條件。

研究人員介紹，十幾年來(lái)，已有很多實(shí)驗在光子、囚禁離子、中性原子等系統中演示了操控多個(gè)量子比特進(jìn)行信息處理的可行性。“但是，以往的工作中，受限于糾纏對的品質(zhì)和量子邏輯門(mén)的操控精度，目前人們所能制備的.大糾纏態(tài)距離實(shí)用化的量子計算和模擬所需的糾纏比特數和保真度還有很大差距。”

創(chuàng )紀錄“低熵”：大規模高保真制備量子糾纏。在實(shí)現量子比特的眾多物理體系中，光晶格超冷原子比特和超導比特具備良好的可升擴展性和高精度的量子操控性，是.有可能率先實(shí)現規模化量子糾纏的系統。

“我國在此領(lǐng)域走在前列。”科研人員介紹，自2010年開(kāi)始，中國科大研究團隊與德國海德堡大學(xué)合作，對基于超冷原子光晶格的可拓展量子信息處理展開(kāi)聯(lián)合攻關(guān)。

據介紹，在前期的研究中，該團隊使用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(chǎn)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。以上的實(shí)驗中，由于晶格中原子的溫度偏高（約10 nK），使得晶格中原子填充缺陷大于10%，這對于糾纏原子對連接形成更大的多原子糾纏態(tài)和提升糾纏保真度有很大的影響。

在這項研究中，團隊..提出了使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)冷原子中的新制冷機制，通過(guò)絕緣態(tài)和超流態(tài)之間高效率的原子和熵的交換，使系統中的熱量主要以超流態(tài)低能激發(fā)的形式存儲，再用..的調控手段將超流態(tài)移除，從而獲得低熵的完美填充晶格。

該實(shí)驗實(shí)現了這一制冷過(guò)程，制冷后使系統的熵降低了65倍，達到了創(chuàng )紀錄的低熵，使得晶格中原子填充率大幅提高到99.9%以上。在此基礎上，該團隊開(kāi)發(fā)了兩原子比特高速糾纏門(mén)，獲得了糾纏保真度為99.3%的1250對糾纏原子。

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