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| 本文作者： 肖漫 | 2020-06-22 18:38 |
一周內(nèi)兩次登上國(guó)際科學(xué)期刊，中科大潘建偉團(tuán)隊(duì)太“忙”了！
6 月 15 日，《Nature》雜志刊登了潘建偉團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)的量子通信研究《基于糾纏的千公里級(jí)安全量子加密》。
6 月 18 日，《Science》雜志以“First Release”形式刊登了潘建偉、苑震生在超冷原子量子計(jì)算和模擬研究的最新進(jìn)展，題為“Cooling and entangling ultracold atoms in optical lattices”《在光學(xué)晶格中冷卻和糾纏超低溫原子》。
雷鋒網(wǎng)注：圖片截自 Science
在后者這項(xiàng)研究中，研究人員實(shí)驗(yàn)了首次提出的冷卻新機(jī)制，實(shí)驗(yàn)后使系統(tǒng)的熵降低了 65 倍，達(dá)到了創(chuàng)紀(jì)錄的低熵。
在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)在光晶格中首次實(shí)現(xiàn)了 1250 對(duì)原子高保真度糾纏態(tài)的同步制備，保真度為 99.3%。
在量子計(jì)算領(lǐng)域，量子糾纏被視為核心資源，隨糾纏比特?cái)?shù)目的增長(zhǎng)，量子計(jì)算的能力也將呈指數(shù)增長(zhǎng)。
因此，大規(guī)模糾纏態(tài)的制備、測(cè)量和相干操控成為了量子計(jì)算研究的核心問(wèn)題。
通常情況下，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模糾纏態(tài)要先同步制備大量糾纏粒子對(duì)，再通過(guò)量子邏輯門(mén)操作將其連接形成多粒子糾纏。
由此，高品質(zhì)糾纏粒子對(duì)的同步制備是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模糾纏態(tài)的首要條件。
在實(shí)現(xiàn)量子比特的物理體系中，由于具備良好的可升擴(kuò)展性和高精度的量子操控性，光晶格超冷原子比特和超導(dǎo)比特被視為最可能率先實(shí)現(xiàn)規(guī)模化量子糾纏的系統(tǒng)。
早在 2010 年，中科大研究團(tuán)隊(duì)就與德國(guó)海德堡大學(xué)展開(kāi)了合作，對(duì)基于超冷原子光晶格的可拓展量子信息處理展開(kāi)聯(lián)合攻關(guān)。
研究人員開(kāi)發(fā)了具有自旋依賴(lài)特性的超晶格系統(tǒng)，形成了一系列并行的雙阱勢(shì)。
不僅如此，每個(gè)雙阱勢(shì)用光場(chǎng)產(chǎn)生了有效磁場(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。
據(jù)量子物理和量子信息研究部的說(shuō)法，在早期研究中，研究團(tuán)隊(duì)使用 Rb-87 超冷原子制備了 600 多對(duì)保真度為 79% 的超冷原子糾纏態(tài)并使用該體系調(diào)控特殊的環(huán)交換相互作用產(chǎn)生四體糾纏態(tài)，模擬了拓?fù)淞孔佑?jì)算中的任意子激發(fā)模型。
但由于晶格中原子的溫度偏高，使其填充缺陷大于 10%，不利于形成更大的多原子糾纏態(tài)和提升糾纏保真度。
因此，光晶格超冷原子比特系統(tǒng)需要進(jìn)一步提升。
論文指出，研究團(tuán)隊(duì)首次提出了新制冷機(jī)制，即利用交錯(cuò)式晶格結(jié)構(gòu)將處在絕緣態(tài)的冷原子浸泡到超流態(tài)中，通過(guò)絕緣態(tài)和超流態(tài)之間高效率的原子和熵的交換，以超流態(tài)低能激發(fā)的形式存儲(chǔ)系統(tǒng)中的熱量，再用精確的調(diào)控手段移除超流態(tài)，從而獲得低熵的填充晶格。
基于此，研究人員在一個(gè)具有 10000 個(gè)原子的量子模擬器展開(kāi)了實(shí)驗(yàn)。在二維平面上，研究人員將莫脫絕緣體樣品浸泡在可移動(dòng)的超流體儲(chǔ)層中使其冷卻。
雷鋒網(wǎng)注：圖為光晶格中原子冷卻的示意圖
結(jié)果顯示，制冷后使系統(tǒng)的熵達(dá)到了創(chuàng)紀(jì)錄的低熵，降低了 65 倍，不僅如此，晶格中原子填充率大幅提高到 99.9% 以上，達(dá)到近乎完美的程度。
在這一制冷基礎(chǔ)上，研究人員進(jìn)一步推進(jìn)研究。
研究人員開(kāi)發(fā)了兩原子比特高速糾纏門(mén)，最終獲得了糾纏保真度為 99.3% 的 1250 對(duì)糾纏原子。
對(duì)此，研究人員表示，其研究為探索低能量多體相提供了一個(gè)環(huán)境，使產(chǎn)生大規(guī)模的糾纏更具可能性。
另外，對(duì)于這一研究結(jié)果，《Science》雜志的審稿人給與了正面評(píng)價(jià)：
他們?cè)谠颖忍刂袑?shí)現(xiàn)了我所知的最低的熵，并且是在如此大的（1 萬(wàn)個(gè)原子）系統(tǒng)中；不僅如此，他們還報(bào)導(dǎo)了我所知的中性原子中的最高保真度兩比特量子門(mén)。
開(kāi)發(fā)光學(xué)晶格中量子氣體的新冷卻技術(shù)，是科學(xué)界獲取物質(zhì)新?tīng)顟B(tài)和量子信息應(yīng)用的一個(gè)重要目標(biāo)。從這個(gè)意義而言，我認(rèn)為他們實(shí)現(xiàn)如此大的熵減是一個(gè)突破……
超冷原子量子計(jì)算和模擬研究之所以能取得新突破，離不開(kāi)以潘建偉、苑震生為主導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)，而從其過(guò)往的研究經(jīng)歷來(lái)看，二位來(lái)頭不小。
潘建偉
潘建偉，有“量子之父”之稱(chēng)，是“墨子號(hào)”的首席科學(xué)家。主要從事量子物理和量子信息等方面的研究，是國(guó)際上量子信息實(shí)驗(yàn)研究領(lǐng)域開(kāi)拓者之一，同時(shí)也是該領(lǐng)域具有重要國(guó)際影響力的科學(xué)家。
雖然一周連登兩次國(guó)際期刊，但潘建偉的高光，遠(yuǎn)不止如此；不僅多次登上國(guó)際期刊，還屢次創(chuàng)下記錄，主要包括：
2012 年 5 月，潘建偉在《現(xiàn)代物理評(píng)論》上發(fā)表題為“Multiphoton entanglement andinterferometry”論文；這是中國(guó)科學(xué)家在該刊物的首篇實(shí)驗(yàn)論文。
2014 年 11 月，潘建偉及其它研究人員將可以抵御黑客攻擊的遠(yuǎn)程量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的安全距離擴(kuò)展至 200 公里，并將成碼率提高了 3 個(gè)數(shù)量級(jí)，創(chuàng)下世界紀(jì)錄，成果發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》。
2019 年 1 月，潘建偉團(tuán)隊(duì)獲得了 2018 年度克利夫蘭獎(jiǎng)；這是該獎(jiǎng)項(xiàng)設(shè)立 90 年來(lái)，中國(guó)科學(xué)家在本土完成的科研成果首次獲得榮譽(yù)。
2020 年，潘建偉再創(chuàng)下了世界紀(jì)錄。潘建偉、包小輝團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)距離的量子糾纏，分別為 22 公里和 50 公里。
苑震生
苑震生，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授，其研究方向包括超冷原子量子調(diào)控、量子光學(xué)，以及原子分子物理。
據(jù)量子物理與量子信息研究部官方介紹，苑震生教授在國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表研究論文多達(dá) 40 余篇，總引用 2000 次。
其中包括：
2007 年，在國(guó)際首次實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)光子糾纏和操作以及基于量子存儲(chǔ)的量子隱形傳態(tài)，研究成果發(fā)表于《Nature Physics》；
2008 年，實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)量子中繼器基本節(jié)點(diǎn)，研究發(fā)表于《Nature》;
2017 年，與潘建偉教授等人通過(guò)量子調(diào)控的方法，首次在超冷原子體系中觀測(cè)到任意子激發(fā)，研究發(fā)表于《自然·物理學(xué)》；
·······
盡管這些“最可愛(ài)的人”已取得了許多成就，但他們?nèi)晕赐Ｐ?，不斷用新的研究成果刷新著我?guó)在量子計(jì)算和模擬的進(jìn)步。
期待更多的研究成果的發(fā)布，雷鋒網(wǎng)也將持續(xù)關(guān)注。
參考資料：雷鋒網(wǎng)
【1】https://science.sciencemag.org/content/early/2020/06/17/science.aaz6801
【2】http://quantum.ustc.edu.cn/web/node/852
【3】http://quantum.ustc.edu.cn/web/node/45
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