科學家成功制備出可擴展多原子糾纏態

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中國科學技術大學潘建偉院士、苑震生教授等與清華大學馬雄峰副教授、復旦大學周游副研究員合作，使用光晶格中束縛的超冷原子，通過制備二維原子陣列、產生原子比特糾纏對、連接糾纏對的分步擴展方式制備了多原子糾纏態，并通過顯微學技術調控和觀測了其糾纏性質，向制備和測控大規模中性原子糾纏態邁出重要一步。這項研究成果近日發表于《物理評論快報》。

量子氣體顯微鏡和晶格中多體糾纏態示意圖 中國科大供圖

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呈指數增長。因而，大規模糾纏態的制備、測量和相干操控是該研究領域的核心問題。在實現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、可擴展性和高精度的量子操控性，成為實現量子信息處理的理想物理體系之一。

自2010年開始，中國科大研究團隊系統地研究了光晶格中原子的多體相變、原子相互作用、熵分布動力學等，并于2020年實現糾纏保真度為99.3%的1000多對原子糾纏態。這一系列研究工作推動了原子糾纏對保真度的提升和原子并行操控能力的增強，為連接擴展成更大的多原子糾纏態、進而開展量子計算研究打下基礎。

但是，在之前的工作中，由于技術上對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，進一步連接糾纏對和測控多原子糾纏態遇到了瓶頸問題。

一維、二維糾纏態的實驗制備流程示意簡圖 中國科大供圖

為解決上述問題，潘建偉、苑震生團隊研發了一種新型的等臂交叉束干涉、自旋依賴超晶格系統，并集成了自主研發的單格點分辨、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字微鏡，兼具多原子全局并行和局域單格點測控的能力，且實現了晶格相位長期穩定。

在此基礎上，該團隊取得了填充率為99.2%的原子二維陣列的制備及原位觀測，選擇其中49對原子制備了糾纏貝爾態，平均保真度為95.6%，壽命為2.2秒。

進一步，他們使用糾纏門將相鄰糾纏對連接起來，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連接和多原子糾纏判定的瓶頸，為開展更大規模的光晶格量子計算和模擬打下基礎。

審稿專家認為“此工作向使用光晶格體系開展基于測量的量子計算邁出了重要一步。”