圖為科研人員在實驗室超冷原子平臺工作

據(jù)科技日報8月20日報道，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士及其同事在國際上首次實現(xiàn)對光晶格中超冷原子自旋比特糾纏態(tài)的產(chǎn)生、操控和探測，向基于超冷原子的可擴(kuò)展量子計算和量子模擬邁出了重要一步。國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然·物理學(xué)》日前以研究長文的形式報道了這項重要研究成果。

量子計算的速度可以是目前計算速度的萬倍、億倍。據(jù)光明日報介紹，量子計算機(jī)用量子比特作為運(yùn)算單元，具有天然的并行計算能力。同時由于量子操作的可逆性，可以大大降低能耗。一個經(jīng)典比特只存在0或1兩種狀態(tài)，而一個量子比特不僅可以處于0，1兩種狀態(tài)，還可以處于0和1的疊加態(tài)。因此，N個量子比特的存儲能力是N個經(jīng)典比特的2的N次方倍，隨N指數(shù)增長。250個量子比特的存儲器就能夠同時存儲比宇宙中的原子數(shù)目還要多的數(shù)據(jù)。對N個量子比特實行一次操作，其效果相當(dāng)于對經(jīng)典存儲器進(jìn)行2N次操作，這就是量子計算機(jī)的巨大并行運(yùn)算能力。

但是量子計算需要利用大量互相糾纏的量子才能實現(xiàn)。量子糾纏是量子的重要物理特征，呈現(xiàn)糾纏狀態(tài)的一對量子就像一對雙胞胎一樣，或者是一對相互吸引的磁鐵，即使在超遠(yuǎn)距離仍然可以保持類似心靈感應(yīng)的聯(lián)系。被認(rèn)為是未來推動高速信息處理的顛覆性技術(shù)的量子計算，正需要利用這種量子糾纏狀態(tài)來實現(xiàn)。不過，如何產(chǎn)生并測量成百上千甚至更大數(shù)量的量子的糾纏態(tài)，一直是研究的難題。

據(jù)科技日報報道，近十幾年來，已有很多實驗演示了操控多個量子比特進(jìn)行信息處理的可行性。但迄今這些實驗中所能操控的糾纏態(tài)的比特數(shù)僅在十個左右，而未來實用化的量子計算體系需要同時操控幾十乃至上百個量子比特。

隨著近年來超冷原子量子調(diào)控技術(shù)的發(fā)展，囚禁在光晶格中的超冷原子成為解決這個關(guān)鍵問題的理想體系之一。

中科大研究團(tuán)隊與德國海德堡大學(xué)合作，首先把超冷銣原子的玻色—愛因斯坦凝聚態(tài)裝載到三維光晶格中的一層，進(jìn)一步蒸發(fā)冷卻原子到低于10納開（比零下273.15攝氏度高1億分之一攝氏度）的超低溫，并實現(xiàn)了這層二維晶格中的超流態(tài)到莫特絕緣態(tài)的量子相變，從而獲得了每個格點上只有一個原子的人工晶 體。

他們創(chuàng)造性地開發(fā)出具有自旋依賴特性的超晶格系統(tǒng)，形成了一系列并行的原子對，并且在原子對所在的格點間用光場產(chǎn)生有效磁場梯度，結(jié)合 微波場，實現(xiàn)了對超晶格中左右格點及兩種原子自旋等自由度的高保真度量子調(diào)控。他們還開發(fā)了光學(xué)分辨約為1微米的超冷原子顯微鏡，對這層晶格中的原子進(jìn)行高分辨原位成像。

通過以上關(guān)鍵實驗技術(shù)的突破，光晶格中超冷原子量子調(diào)控能力獲得大幅提升，研究團(tuán)隊首次在光晶格中并行制備并測控了約600對超冷原子比特糾纏對，邁出了面向可升級量子計算的重要一步。