圖為科研人員在實(shí)驗(yàn)室超冷原子平臺(tái)工作
據(jù)科技日?qǐng)?bào)8月20日?qǐng)?bào)道，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士及其同事在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)對(duì)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(cè)，向基于超冷原子的可擴(kuò)展量子計(jì)算和量子模擬邁出了重要一步。國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然·物理學(xué)》日前以研究長(zhǎng)文的形式報(bào)道了這項(xiàng)重要研究成果。
量子計(jì)算的速度可以是目前計(jì)算速度的萬(wàn)倍、億倍。據(jù)光明日?qǐng)?bào)介紹，量子計(jì)算機(jī)用量子比特作為運(yùn)算單元，具有天然的并行計(jì)算能力。同時(shí)由于量子操作的可逆性，可以大大降低能耗。一個(gè)經(jīng)典比特只存在0或1兩種狀態(tài)，而一個(gè)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(gè)量子比特的存儲(chǔ)能力是N個(gè)經(jīng)典比特的2的N次方倍，隨N指數(shù)增長(zhǎng)。250個(gè)量子比特的存儲(chǔ)器就能夠同時(shí)存儲(chǔ)比宇宙中的原子數(shù)目還要多的數(shù)據(jù)。對(duì)N個(gè)量子比特實(shí)行一次操作，其效果相當(dāng)于對(duì)經(jīng)典存儲(chǔ)器進(jìn)行2N次操作，這就是量子計(jì)算機(jī)的巨大并行運(yùn)算能力。
但是量子計(jì)算需要利用大量互相糾纏的量子才能實(shí)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(duì)量子就像一對(duì)雙胞胎一樣，或者是一對(duì)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(lái)推動(dòng)高速信息處理的顛覆性技術(shù)的量子計(jì)算，正需要利用這種量子糾纏狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)。不過(guò)，如何產(chǎn)生并測(cè)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?qǐng)?bào)報(bào)道，近十幾年來(lái)，已有很多實(shí)驗(yàn)演示了操控多個(gè)量子比特進(jìn)行信息處理的可行性。但迄今這些實(shí)驗(yàn)中所能操控的糾纏態(tài)的比特?cái)?shù)僅在十個(gè)左右，而未來(lái)實(shí)用化的量子計(jì)算體系需要同時(shí)操控幾十乃至上百個(gè)量子比特。
隨著近年來(lái)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(gè)關(guān)鍵問(wèn)題的理想體系之一。
中科大研究團(tuán)隊(duì)與德國(guó)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(shí)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(gè)格點(diǎn)上只有一個(gè)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(duì)，并且在原子對(duì)所在的格點(diǎn)間用光場(chǎng)產(chǎn)生有效磁場(chǎng)梯度，結(jié)合 微波場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)超晶格中左右格點(diǎn)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(duì)這層晶格中的原子進(jìn)行高分辨原位成像。
通過(guò)以上關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)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(duì)首次在光晶格中并行制備并測(cè)控了約600對(duì)超冷原子比特糾纏對(duì)，邁出了面向可升級(jí)量子計(jì)算的重要一步。
