Схема экспериментальной установки и создания запутанности.
Фото: Physical Review Letters (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.073401

Исследователи из Университета науки и технологий Китая (USTC) Китайской академии наук (CAS) в сотрудничестве с исследователями из Университета Цинхуа под руководством Ма Сюнфэна и Университета Фудань под руководством Чжоу Ю добились значительных успехов в подготовке и измерении масштабируемых многочастных запутанных состояний.

Используя ультрахолодные атомы, захваченные в оптические решетки, исследовательская группа успешно подготовила запутанные состояния нескольких атомов, создав двумерный атомный массив, генерируя запутанные атомные пары кубитов и последовательно соединяя эти запутанные пары. Их работа опубликована в журнале Physical Review Letters.

Американское физическое общество также отметило это достижение, опубликовав в журнале Physics Magazine статью под названием «Веха в развитии квантового компьютера с оптической решеткой».

Квантовая запутанность — фундаментальное явление, лежащее в основе квантовых вычислений, возможности которых растут экспоненциально с увеличением количества запутанных кубитов. Поэтому подготовка, измерение и последовательное манипулирование крупномасштабными запутанными состояниями являются центральными задачами в области квантовых исследований.

Среди физических систем, используемых для реализации квантовых битов (кубитов), ультрахолодные атомные кубиты в оптических решетках демонстрируют превосходную когерентность, масштабируемость и высокоточное квантовое управление, что позиционирует их как идеальный выбор для проведения квантовой обработки информации.

С 2010 года исследовательская группа USTC систематически изучает многочастичные фазовые переходы, атомные взаимодействия и динамику распределения энтропии в оптических решетках.

К 2020 году команда достигла точности запутанности 99,3% с более чем 1000 парами запутанных атомов. Эти исследования проложили путь к повышению точности атомной запутанности и возможности параллельного атомного управления, заложив основу для более крупных многоатомных запутанных состояний и дальнейших исследований в области квантовых вычислений. Однако предыдущие усилия столкнулись с узкими местами из-за ограниченной возможности управления отдельными атомными кубитами, значительных фазовых сдвигов в оптических решетках и отсутствия эффективных методов обнаружения и управления состояниями многоатомной запутанности.

Чтобы преодолеть эти технические проблемы, команда под руководством Пан Цзяньвэя и Юаня Чжэньшэна разработала новую равноплечную систему сверхрешеток с перекрестной интерференцией и спин-зависимой системой. Они объединили разработанное ими однорешеточное разрешение, широкополосную ахроматическую квантовую газовую микроскопию и несколько наборов цифровых микрозеркал для редактирования формы пятен. Эта установка позволяла измерять и контролировать как многоатомные глобальные параллельные измерения, так и локальные измерения в одной точке сетки.

При этом они достигли скорости заполнения двумерного атомного массива 99,2% и подготовили запутанные состояния Белла со средней точностью 95,6% и продолжительностью жизни 2,2 секунды. Кроме того, они соединили соседние запутанные пары, чтобы получить одномерную запутанную цепочку из 10 атомов и двумерный запутанный блок из восьми атомов.

Эта работа знаменует собой значительный шаг на пути к крупномасштабным квантовым вычислениям и моделированию с использованием оптических решеток.