對(duì)普通人來(lái)說(shuō)，關(guān)于量子的學(xué)說(shuō)都顯得高深莫測(cè)。為了讓人理解量子糾纏，曾經(jīng)有人把它比作一對(duì)有“心靈感應(yīng)”的雙胞胎，他們長(zhǎng)相不分彼此，同時(shí)心意相通，即便天各一方，弟弟有難，哥哥也可即刻得知。
量子糾纏的一個(gè)了不起的應(yīng)用就是量子計(jì)算，它可以突破傳統(tǒng)技術(shù)的極限，一直被科學(xué)家寄予厚望。
6月19日，國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》雜志以“First Release”形式在線發(fā)表了我國(guó)科研人員在超冷原子量子計(jì)算和模擬研究中取得重要進(jìn)展。
來(lái)自中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)等單位的研究人員，在理論上提出并實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)原子深度冷卻新機(jī)制的基礎(chǔ)上，在光晶格中首次實(shí)現(xiàn)了1250對(duì)原子高保真度糾纏態(tài)的同步制備。這為基于超冷原子光晶格的規(guī)模化量子計(jì)算與模擬奠定了基礎(chǔ)。
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2020-6-20 09:20 上傳
量子計(jì)算和模擬被認(rèn)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(dǎo)機(jī)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(jì)算的核心資源，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)。比如50個(gè)糾纏比特和51個(gè)糾纏比特相比，量子計(jì)算能力的差別可以看成是2的50次方和2的51次方之間的比較。
“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(wèn)題。”中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉說(shuō)，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模糾纏態(tài)的通常途徑是，先同步制備大量糾纏粒子對(duì)，然后通過(guò)量子邏輯門操作將其連接形成多粒子糾纏。因此，高品質(zhì)糾纏粒子對(duì)的同步制備是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模糾纏態(tài)的首要條件。
但是，受限于糾纏對(duì)的品質(zhì)和量子邏輯門的操控精度，目前人們所能制備的最大糾纏態(tài)距離實(shí)用化的量子計(jì)算和模擬所需的糾纏比特?cái)?shù)和保真度還有很大差距。
在實(shí)現(xiàn)量子比特的眾多物理體系中，光晶格超冷原子比特和超導(dǎo)比特具備良好的可升擴(kuò)展性和高精度的量子操控性，是最有可能率先實(shí)現(xiàn)規(guī)�；孔蛹m纏的系統(tǒng)。
在這項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)首次提出了使用交錯(cuò)式晶格結(jié)構(gòu)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(jī)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(tǒng)中的熱量主要以超流態(tài)低能激發(fā)的形式存儲(chǔ)，再用精確的調(diào)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(yàn)實(shí)現(xiàn)了這一制冷過(guò)程，制冷后使系統(tǒng)的熵降低了65倍，達(dá)到了創(chuàng)紀(jì)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(chǔ)上，我們團(tuán)隊(duì)開發(fā)了兩原子比特高速糾纏門，獲得了糾纏保真度為99.3%的1250對(duì)糾纏原子�！迸私▊フf(shuō)。
對(duì)此，《科學(xué)》雜志的審稿人給予高度評(píng)價(jià)：“他們?cè)谠颖忍刂袑?shí)現(xiàn)了我所知的最低的熵，并且是在如此大的（1萬(wàn)個(gè)原子）系統(tǒng)中；進(jìn)一步，他們報(bào)道了我所知的中性原子中的最高保真度兩比特量子門”“我認(rèn)為他們實(shí)現(xiàn)如此大的熵減是一個(gè)突破�！�
潘建偉表示，在這項(xiàng)研究工作的基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)未來(lái)將通過(guò)連接多對(duì)糾纏原子的方法，制備幾十到上百個(gè)原子比特的糾纏態(tài)，用以開展單向量子計(jì)算和復(fù)雜強(qiáng)關(guān)聯(lián)多體系統(tǒng)量子模擬研究。同時(shí)，該工作中的新制冷技術(shù)將有助于對(duì)超冷費(fèi)米子系統(tǒng)的深度冷卻，使得系統(tǒng)達(dá)到模擬高溫超導(dǎo)物理機(jī)制的苛刻溫區(qū)。這項(xiàng)研究成果將極大推動(dòng)量子計(jì)算和模擬領(lǐng)域的發(fā)展。
來(lái)源：科技日?qǐng)?bào)記者 陸成寬 吳長(zhǎng)鋒 | 
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