量子纠缠是量子计算的核心资源，量子计算能力随纠缠比特数目的增加呈指数增长。因此，大规模多体量子纠缠的制备、测量与操控成为衡量当前量子计算机性能的关键指标。但在此前工作中，受制于单原子比特操控技术、光晶格相位漂移、多原子纠缠判定方法等问题，进一步连接纠缠对和测控多原子纠缠态遇到瓶颈。
为突破瓶颈问题，马雄峰研究组自2018年与合作者确定了在超冷原子光晶格中制备和验证多体量子纠缠的目标。超冷原子系统因其可靠的初始化和高精度的量子控制，被认为是制备多体纠缠、进行量子信息处理的出色平台。然而，该系统面临着理论验证与实验实现的双重挑战。
基于对量子纠缠基础理论和应用研究的长期探索，马雄峰研究组与合作者密切交流，通过拓展稳定子态的定义，进一步提出纠缠制备和测量理论方案。这些系列理论工作，为提升原子纠缠保真度和原子并行操控能力，连接扩展多原子纠缠态，以及开展量子计算研究奠定了基础。
图1.量子气体显微镜和晶格中多体纠缠态示意图
最终，该合作项目取得了填充率高达99.2%的原子二维阵列的制备及原位观测，选择了49对原子制备了高度纠缠的贝尔态，其平均保真度达到了95.6%，寿命为2.2秒，均处于世界领先水平。同时，该项目利用纠缠门技术连接相邻的纠缠对，首次成功制备了10原子一维纠缠链和8原子二维纠缠块，这是迈向制备量子计算所需的大规模量子纠缠至关重要的一步。
图2.一维、二维纠缠态的实验制备流程示意简图
该成果不仅突破了光晶格中原子纠缠对连接和多原子纠缠态判定的瓶颈，也为未来高性能量子计算机的发展提供关键技术支持。
相关论文“光学格栅中自旋交换产生的可伸缩多粒子纠缠”（Scalable Multipartite Entanglement Created by Spin Exchange in an Optical Lattice）近日发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上，得到广泛报道。
论文链接：
https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.131.073401
供稿：交叉信息研究院
题图设计：任帅
编辑：李华山
审核：郭玲
2023年09月13日 08:52:56
