中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉和苑震生等，與清華大學(xué)馬雄峰、復(fù)旦大學(xué)周游合作，使用光晶格中束縛的超冷原子，通過制備二維原子陣列、產(chǎn)生原子比特糾纏對(duì)、連接糾纏對(duì)的分步擴(kuò)展方式制備了多原子糾纏態(tài)，并通過顯微學(xué)技術(shù)調(diào)控和觀測(cè)了其糾纏性質(zhì)，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。近日，這一研究成果發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上。美國(guó)物理學(xué)會(huì)“Physics”對(duì)上述研究進(jìn)行了報(bào)道。

量子糾纏是量子計(jì)算的核心資源，而量子計(jì)算的能力將隨糾纏比特?cái)?shù)目的增長(zhǎng)呈指數(shù)增長(zhǎng)。因而，大規(guī)模糾纏態(tài)的制備、測(cè)量和相干操控是該研究領(lǐng)域的核心問題。在實(shí)現(xiàn)量子比特的眾多物理體系中，光晶格中的超冷原子比特具備良好的相干性、可擴(kuò)展性和高精度的量子操控性，成為實(shí)現(xiàn)量子信息處理的理想物理體系之一。自2010年，中國(guó)科大系統(tǒng)地研究了光晶格中原子的多體相變、原子相互作用、熵分布動(dòng)力學(xué)等，并于2020年實(shí)現(xiàn)糾纏保真度為99.3%的1000多對(duì)原子糾纏態(tài)【Nature Physics?12, 783(2016)；Nature Physics?13, 1195(2017)；Science, 369,550(2020)】。這一系列研究工作推動(dòng)了原子糾纏對(duì)保真度的提升和原子并行操控能力的增強(qiáng)，為連接擴(kuò)展成更大的多原子糾纏態(tài)、進(jìn)而開展量子計(jì)算研究打下基礎(chǔ)。然而，在既往研究中，由于技術(shù)上對(duì)單原子比特操控能力仍然不足、光晶格相位漂移較大、缺乏多原子糾纏判定的有效方法，進(jìn)一步連接糾纏對(duì)和測(cè)控多原子糾纏態(tài)遇到了瓶頸。

為了解決上述問題，潘建偉、苑震生團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種新型的等臂交叉束干涉、自旋依賴超晶格系統(tǒng)，并集成了自主研發(fā)的單格點(diǎn)分辨、寬波段消色差的量子氣體顯微鏡和多套用于光斑形狀編輯的數(shù)字微鏡，兼具多原子全局并行和局域單格點(diǎn)測(cè)控的能力，且實(shí)現(xiàn)了晶格相位長(zhǎng)期穩(wěn)定。在此基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)取得了填充率為99.2%的原子二維陣列的制備及原位觀測(cè)，選擇其中49對(duì)原子制備了糾纏貝爾態(tài)，平均保真度為95.6%，壽命為2.2秒；進(jìn)一步，該團(tuán)隊(duì)使用糾纏門將相鄰糾纏對(duì)連接起來，制備了10原子一維糾纏鏈和8原子二維糾纏塊，首次突破了光晶格中原子糾纏對(duì)連接和多原子糾纏判定的瓶頸，為開展更大規(guī)模的光晶格量子計(jì)算和模擬打下了基礎(chǔ)。

研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、科學(xué)技術(shù)部、安徽省等的支持。

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