我国科学家在量子计算领域取得突破

  中国科学技术大学潘建伟教授及其同事苑震生、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，《自然·物理学》在报道这项研究成果时评价：“这一工作为产生更大的多粒子纠缠态并进行基于测量的量子计算铺平了道路。”

　　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。目前，可拓展量子信息处理仍面临重大困难，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。

　　诺贝尔物理奖获得者安东尼·莱格特提出超冷原子光晶格体系可拓展纠缠态产生的“三步走”方案：首先是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人工晶体，产生规则排列的原子比特纠缠对；其次是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；最后是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做出了巨大努力，但由于各种困难一直没有获得突破。

　　中科大研究团队与海德堡大学合作，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。

　　以上关键实验技术的突破，使我科学家对光晶格中超冷原子量子的调控能力大幅提升，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。