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1250对!中国科学家在量子计算领域又有突破

平心在线2个月前 (06-21)科技33

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这一进展主要集中在过冷原子光晶格中大规模高保真量子纠缠对的同步制备上。在理论和实验上提出的原子深冷新机制的基础上,首次在光晶格中同步制备了1250对高保真原子纠缠态,这为基于过冷原子晶格的大规模量子计算和模拟奠定了基础。

北京时间6月19日消息,国际知名学术期刊《科学》以“首次发布”的形式将研究成果在线发布。

着眼于未来的颠覆性技术:量子计算和量子模拟

基于量子力学的基本原理,量子计算和模拟被认为是后摩尔时代促进高速信息处理的颠覆性技术,有望解决重大科学和技术问题高温超导机理模拟和密码破解等技术问题。量子纠缠是量子计算的核心资源,量子计算的能力将随着纠缠比特数的增加呈指数增长。

因此,大规模纠缠态的制备、测量和相干操控是该领域的核心问题。

实现大规模纠缠的常用方法是同步制备大量的纠缠粒子对,然后通过量子逻辑门操作将它们连接起来形成多粒子纠缠。因此,同步制备高质量的纠缠粒子对是实现大规模纠缠的首要条件。

在过去的十年中,许多实验证明了在光子、俘获离子、中性原子和其他系统中操纵多个量子比特进行信息处理的可行性。”然而,在过去的工作中,由于纠缠对的质量和量子逻辑门的精度,实际量子计算和模拟人们可以准备的最大纠缠态距离所需的纠缠比特数和保真度之间仍有很大的差距在实现量子比特的众多物理系统中,光学晶格过冷原子比特和超导比特具有良好的可扩展性和高精度的量子操控性,是最有可能率先实现大规模量子纠缠的系统。

“我国在这一领域处于领先地位”,2010年以来,中国科技大学科研团队与德国海德堡大学合作,共同解决基于过冷原子光学晶格的可伸缩量子信息处理问题。

据介绍,在之前的研究中,该团队利用Rb-87过冷原子制备了600多对保真度为79%的过冷原子纠缠态,并利用该系统调节特殊的环交换相互作用,产生了4个体纠缠态,拓扑量子计算中任意子的激发模型模拟。在上述实验中,由于晶格中原子的高温(约10nk),晶格中原子的填充缺陷大于10%,这对纠缠原子形成更大的多原子纠缠态和提高纠缠保真度有很大的影响。

在这项研究中,研究小组首先提出了一种新的制冷机制,利用交错晶格结构将处于绝缘状态的冷原子浸入处于超流体状态的冷原子中。通过原子的有效交换和绝缘态与超流态之间的熵,系统中的热量主要以超流低能激发的形式存储,然后通过精确的控制手段去除超流态,从而得到低熵的理想填充晶格。

制冷后,体系的熵降低了65倍,达到了创纪录的低熵,晶格中原子的填充率大大提高到99.9%。在此基础上,研究小组开发了一个双原子位高速纠缠门,获得了1250对纠缠原子,纠缠保真度为99.3%。

这项研究将极大地促进量子计算与模拟领域的发展

《科学》杂志的评论员们对这项工作给予高度评价:“他们在原子比特中实现了我所知的最低熵,并且在如此大的(10000个原子)系统中;而且,他们在我所知道的中性原子,“

”新型晶格量子气体制冷技术的发展是学术界研究新态、满足量子信息处理需要的重要目标。有鉴于此,我认为他们实现如此大的熵减少是一个突破……”

这一成果对未来科研发展有何意义?在此基础上,研究团队将通过连接多对纠缠原子,制备数十到数百个原子位的纠缠态,对复杂的强关联多体系统进行单向量子计算和量子模拟,中国科技大学的研究人员告诉记者。

同时,本研究中的新制冷技术将有助于费米子系统的深度冷却,使系统达到模拟高温超导物理机制的临界温度区。

这项研究得到了科技部、国家自然科学基金、中国科学院、教育部和安徽省的支持。


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