图为科研人员在实验室超冷原子平台工作
据科技日报8月20日报道，中国科学技术大学潘建伟院士及其同事在国际上首次实现对光晶格中超冷原子自旋比特纠缠态的产生、操控和探测，向基于超冷原子的可扩展量子计算和量子模拟迈出了重要一步。国际权威学术期刊《自然·物理学》日前以研究长文的形式报道了这项重要研究成果。
量子计算的速度可以是目前计算速度的万倍、亿倍。据光明日报介绍，量子计算机用量子比特作为运算单元，具有天然的并行计算能力。同时由于量子操作的可逆性，可以大大降低能耗。一个经典比特只存在0或1两种状态，而一个量子比特不仅可以处于0，1两种状态，还可以处于0和1的叠加态。因此，N个量子比特的存储能力是N个经典比特的2的N次方倍，随N指数增长。250个量子比特的存储器就能够同时存储比宇宙中的原子数目还要多的数据。对N个量子比特实行一次操作，其效果相当于对经典存储器进行2N次操作，这就是量子计算机的巨大并行运算能力。
但是量子计算需要利用大量互相纠缠的量子才能实现。量子纠缠是量子的重要物理特征，呈现纠缠状态的一对量子就像一对双胞胎一样，或者是一对相互吸引的磁铁，即使在超远距离仍然可以保持类似心灵感应的联系。被认为是未来推动高速信息处理的颠覆性技术的量子计算，正需要利用这种量子纠缠状态来实现。不过，如何产生并测量成百上千甚至更大数量的量子的纠缠态，一直是研究的难题。
据科技日报报道，近十几年来，已有很多实验演示了操控多个量子比特进行信息处理的可行性。但迄今这些实验中所能操控的纠缠态的比特数仅在十个左右，而未来实用化的量子计算体系需要同时操控几十乃至上百个量子比特。
随着近年来超冷原子量子调控技术的发展，囚禁在光晶格中的超冷原子成为解决这个关键问题的理想体系之一。
中科大研究团队与德国海德堡大学合作，首先把超冷铷原子的玻色—爱因斯坦凝聚态装载到三维光晶格中的一层，进一步蒸发冷却原子到低于10纳开（比零下273.15摄氏度高1亿分之一摄氏度）的超低温，并实现了这层二维晶格中的超流态到莫特绝缘态的量子相变，从而获得了每个格点上只有一个原子的人工晶 体。
他们创造性地开发出具有自旋依赖特性的超晶格系统，形成了一系列并行的原子对，并且在原子对所在的格点间用光场产生有效磁场梯度，结合 微波场，实现了对超晶格中左右格点及两种原子自旋等自由度的高保真度量子调控。他们还开发了光学分辨约为1微米的超冷原子显微镜，对这层晶格中的原子进行高分辨原位成像。
通过以上关键实验技术的突破，光晶格中超冷原子量子调控能力获得大幅提升，研究团队首次在光晶格中并行制备并测控了约600对超冷原子比特纠缠对，迈出了面向可升级量子计算的重要一步。
