本报讯 记者佘惠敏、通讯员杨保国报道：中国科学技术大学潘建伟院士及其同事苑震生、陈宇翱教授等在国际上首次实现对光晶格中超冷原子自旋比特纠缠态的产生、操控和探测，向基于超冷原子的可扩展量子计算和量子模拟迈出了重要一步。近日，国际权威学术期刊《自然？物理学》以研究长文的形式报道了这项重要研究成果。
基于量子力学基本原理，量子信息处理技术被认为是后摩尔时代推动高速信息处理的颠覆性技术。近十几年来，该研究领域被广泛关注，已有很多实验演示了操控多个量子比特进行信息处理的可行性。但迄今这些实验中所能操控的纠缠态的比特数仅在10个左右，而未来实用化的量子计算体系需要同时操控几十乃至上百个量子比特。所以，可拓展量子信息处理目前仍面临重大困难，其中最关键的问题是如何产生和测控大量量子比特的纠缠态，并进一步开展容错的量子计算。
国际著名物理学家Anthony Leggett提出，随着近年来超冷原子量子调控技术的发展，囚禁在光晶格中的超冷原子成为解决这个关键问题的理想体系之一。在该体系中，成千上万的超冷原子在极低温下通过量子相变被制备到每个格点只有一个原子比特的人工晶体上，为可拓展的纠缠态产生提供大量的量子比特资源；同时，超冷原子量子比特的相干时间可以达到秒量级，并具有优异的可操控性。
基于超冷原子光晶格体系的可拓展纠缠态产生的“三步走”方案是：首先，通过超流态到绝缘态的相变过程，使原子只能待在各自的格点上，实验获得二维光晶格每个格点只有一个原子比特的人工晶体，产生规则排列的原子比特纠缠对；然后，连接相邻的原子比特纠缠对，并行实现彼此平行的横向链状原子纠缠簇态；第三，纵向并行连接纠缠原子链，实现二维的纠缠簇态，形成单向量子计算的基本资源。近年来，科学家们为实现该方案中的第一步作出了巨大努力，但由于实验中的各种困难，一直没有获得突破。
中国科大研究团队与德国海德堡大学合作，自2010年开始对基于光晶格可拓展量子信息处理研究展开联合攻关。他们首先把超冷铷原子的玻色-爱因斯坦凝聚态装载到三维光晶格中的一层，进一步蒸发冷却原子到低于10纳开（比零下273.15摄氏度高1亿分之一摄氏度）的超低温，并实现了这层二维晶格中的超流态到莫特绝缘态的量子相变，从而获得了每个格点上只有一个原子的人工晶体。他们创造性地开发出具有自旋依赖特性的超晶格系统，形成了一系列并行的原子对，并且在原子对所在的格点间用光场产生有效磁场梯度，结合微波场，实现了对超晶格中左右格点及两种原子自旋等自由度的高保真度量子调控。他们还开发了光学分辨约为1微米的超冷原子显微镜，对这层晶格中的原子进行高分辨原位成像。
通过以上关键实验技术的突破，该研究团队获得了光晶格中超冷原子量子调控能力的大幅提升，从而首次在光晶格中并行制备并测控了约600对超冷原子比特纠缠对，即实现了可扩展纠缠态制备“三步走”方案中最关键的第一步，迈出了面向可升级量子计算的重要一步。
