1250对！中国成果再登《科学》，量子计算或迎新突破！
导 读
对普通人来说，关于量子的学说显得高深莫测。为了让人理解量子纠缠，曾经有人把它比作一对有“心灵感应”的双胞胎，他们长相不分彼此，同时心意相通，即便天各一方，弟弟有难，哥哥也可即刻得知。近日，国际著名学术期刊《科学》杂志以“First Release”形式在线发表了我国科研人员在超冷原子量子计算和模拟研究中取得重要进展，和小福团一起去看看。
量子纠缠的一个了不起的应用就是量子计算，它可以突破传统技术的极限，一直被科学家寄予厚望。
来自中国科学技术大学等单位的研究人员，在理论上提出并实验实现原子深度冷却新机制的基础上，在光晶格中首次实现了1250对原子高保真度纠缠态的同步制备。这为基于超冷原子光晶格的规模化量子计算与模拟奠定了基础。
光晶格中原子冷却的示意图 / 图源 ：原文文章
量子计算和模拟被认为是后摩尔时代推动高速信息处理的颠覆性技术，有望解决诸如高温超导机制模拟、密码破解等重大科学和技术问题。
量子纠缠是量子计算的核心资源，量子计算的能力将随纠缠比特数目的增长呈指数增长。比如50个纠缠比特和51个纠缠比特相比，量子计算能力的差别可以看成是2的50次方和2的51次方之间的比较。
“因而，大规模纠缠态的制备、测量和相干操控是该研究领域的核心问题。”中国科学院院士、中国科学技术大学教授潘建伟说，实现大规模纠缠态的通常途径是，先同步制备大量纠缠粒子对，然后通过量子逻辑门操作将其连接形成多粒子纠缠。因此，高品质纠缠粒子对的同步制备是实现大规模纠缠态的首要条件。
但是，受限于纠缠对的品质和量子逻辑门的操控精度，目前人们所能制备的最大纠缠态距离实用化的量子计算和模拟所需的纠缠比特数和保真度还有很大差距。
在实现量子比特的众多物理体系中，光晶格超冷原子比特和超导比特具备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规模化量子纠缠的系统。
在这项研究中，研究团队首次提出了使用交错式晶格结构将处在绝缘态的冷原子浸泡到超流态冷原子中的新制冷机制，通过绝缘态和超流态之间高效率的原子和熵的交换，使系统中的热量主要以超流态低能激发的形式存储，再用精确的调控手段将超流态移除，从而获得低熵的完美填充晶格。
“该实验实现了这一制冷过程，制冷后使系统的熵降低了65倍，达到了创纪录的低熵，使得晶格中原子填充率大幅提高到99.9%以上。在此基础上，我们团队开发了两原子比特高速纠缠门，获得了纠缠保真度为99.3%的1250对纠缠原子。”潘建伟说。
对此，《科学》杂志的审稿人给予高度评价：“他们在原子比特中实现了我所知的最低的熵，并且是在如此大的（1万个原子）系统中；进一步，他们报道了我所知的中性原子中的最高保真度两比特量子门，我认为他们实现如此大的熵减是一个突破。”
潘建伟表示，在这项研究工作的基础上，研究团队未来将通过连接多对纠缠原子的方法，制备几十到上百个原子比特的纠缠态，用以开展单向量子计算和复杂强关联多体系统量子模拟研究。同时，该工作中的新制冷技术将有助于对超冷费米子系统的深度冷却，使得系统达到模拟高温超导物理机制的苛刻温区。这项研究成果将极大推动量子计算和模拟领域的发展。
来源 | 科技日报
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