連發3篇Nature/Science，潘建偉團隊取得重要進展

2020-08-27 中國科大新創基金會

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基於量子力學的基本原理，量子計算和模擬被認為是後摩爾時代推動高速信息處理的顛覆性技術，有望解決諸如高溫超導機制模擬、密碼破解等重大科學和技術問題。量子糾纏是量子計算的核心資源，量子計算的能力將隨糾纏比特數目的增長呈指數增長。因而，大規模糾纏態的製備、測量和相干操控是該研究領域的核心問題。實現大規模糾纏態的通常途徑是，先同步製備大量糾纏粒子對，然後通過量子邏輯門操作將其連接形成多粒子糾纏。因此，高品質糾纏粒子對的同步製備是實現大規模糾纏態的首要條件。十幾年來，已有很多實驗在光子、囚禁離子、中性原子等系統中演示了操控多個量子比特進行信息處理的可行性。但是，以往的工作中，受限於糾纏對的品質和量子邏輯門的操控精度，目前人們所能製備的最大糾纏態距離實用化的量子計算和模擬所需的糾纏比特數和保真度還有很大差距。

2020年7月31日，中國科學技術大學潘建偉及苑震生共同通訊在Science 在線發表題為&34;的研究論文，該研究在理論上提出並實驗實現原子深度冷卻新機制的基礎上，在光晶格中首次實現了1250對原子高保真度糾纏態的同步製備，為基於超冷原子光晶格的規模化量子計算與模擬奠定了基礎。

2020年6月15日，中國科學技術大學潘建偉及彭承志共同通訊在Nature 在線發表題為「Entanglement-based secure quantum cryptography over 1,120 kilometres」的研究論文，該研究展示了兩個相距1,120 km的地面站之間基於糾纏的QKD。與先前的工作相比，該研究將雙光子分布的鏈路效率提高了約4倍，並獲得了0.12比特/秒的有限密鑰-秘密密鑰速率。因此，該研究工作為基於糾纏的全球量子網絡鋪平了道路。總體而言，結果使地面上實際QKD的安全距離從100 km增加到超過1000 km，而無需信任的中繼站，這代表了朝著任意長距離遠程用戶真正可靠且牢不可破的加密方法邁出的重要一步（點擊閱讀）。

2020年2月12日，中國科學技術大學潘建偉、包小輝及張強共同通訊在Nature 在線發表題為「Entanglement of two quantum memories via fibres over dozens of kilometres」的研究論文，該研究在量子中繼與量子網絡方向取得重大突破。該研究通過發展高亮度光與原子糾纏源、低噪高效單光子頻率轉換技術和遠程單光子精密幹涉技術，成功地將相距50公裡光纖的兩個量子存儲器糾纏起來，為構建基於量子中繼的量子網絡奠定了基礎。

在實現量子比特的眾多物理體系中，光晶格超冷原子比特和超導比特具備良好的可升擴展性和高精度的量子操控性，是最有可能率先實現規模化量子糾纏的系統。自2010年開始，中國科大研究團隊與德國海德堡大學合作，對基於超冷原子光晶格的可拓展量子信息處理展開聯合攻關。

在前期的研究中，該團隊使用Rb-87超冷原子製備了600多對保真度為79%的超冷原子糾纏態；並使用該體系調控特殊的環交換相互作用產生四體糾纏態，模擬了拓撲量子計算中的任意子激發模型。以上的實驗中，由於晶格中原子的溫度偏高（約10 nK），使得晶格中原子填充缺陷大於10%，這對於糾纏原子對連接形成更大的多原子糾纏態和提升糾纏保真度有很大的影響。

在這項研究中，該團隊首次提出了使用交錯式晶格結構將處在絕緣態的冷原子浸泡到超流態中的新制冷機制，通過絕緣態和超流態之間高效率的原子和熵的交換，使系統中的熱量主要以超流態低能激發的形式存儲，再用精確的調控手段將超流態移除，從而獲得低熵的完美填充晶格。該實驗實現了這一製冷過程，製冷後使系統的熵降低了65倍，達到了創紀錄的低熵，使得晶格中原子填充率大幅提高到99.9%以上。在此基礎上，該團隊開發了兩原子比特高速糾纏門，獲得了糾纏保真度為99.3%的1250對糾纏原子。

在該研究工作的基礎上，研究團隊將通過連接多對糾纏原子的方法，製備幾十到上百個原子比特的糾纏態，用以開展單向量子計算和複雜強關聯多體系統量子模擬研究。同時，該工作中的新製冷技術將有助於對超冷費米子系統的深度冷卻，使得系統達到模擬高溫超導物理機制的苛刻溫區。該研究成果將極大推動量子計算和模擬領域的發展。

該研究工作得到了科技部、國家自然科學基金委、中科院、教育部和安徽省等的支持。

註：該解析部分參考自中國科學技術大學官網介紹。刊登於《iNature》微信公號。

解析連結：

http://news.ustc.edu.cn/2020/0617/c15884a428976/page.htm

參考消息：

https://science.sciencemag.org/content/early/2020/06/17/science.aaz6801

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