中国科学技术大学（USTC）的研究人员与清华大学的Ma Xiongfeng和复旦大学的Zhou You团队合作在可扩展的多粒子纠缠态的制备和测量方面取得了重要进展。该研究团队利用捕获在光学晶格中的超冷原子，通过制备二维原子阵列、生成原子比特纠缠对并依次连接这些纠缠对，成功制备了多原子纠缠态。该研究成果已经发表在《Physical Review Letters》期刊上，美国物理学会也在物理学杂志上发表了题为“光晶格量子计算机的里程碑”的专题文章来报道这项研究成果。
实验装置和纠缠生成的示意图。图片来源：《Physical Review Letters》 (2023)
量子纠缠是量子计算的基本现象，而量子计算的能力随着纠缠量子比特数量的增加呈指数级增长。因此，大规模纠缠态的制备、测量和相干操纵是量子研究领域的核心挑战。在用于实现量子比特（qubit）的物理系统中，光晶格中的超冷原子量子比特表现出优异的相干性、可扩展性和高精度的量子操控性，这使其成为进行量子信息处理的理想选择之一。自2010年以来，中国科大的研究团队系统地研究了光学晶格中的多体相变、原子相互作用和熵分布动力学等。到 2020 年，该团队实现了纠缠保真度为 99.3% 的1000 多对原子纠缠态。这些研究为增强原子纠缠的保真度和原子并行操控能力铺平了道路，为更大的多原子纠缠态和进一步的量子计算研究奠定了基础。然而，由于操控单个原子比特的能力有限、光学晶格中的显着相移以及缺乏检测和操控多原子纠缠态的有效方法，进一步连接纠缠对和操控多原子纠缠态面临了瓶颈。
为了克服这些技术挑战，Pan Jianwei和Yuan Zhensheng领导的团队开发了一种新的等臂、交叉束干涉和自旋依赖的超晶格系统。他们集成了自主开发的单格点分辨、宽波段消色差的量子气体显微镜和多组用于光斑形状编辑的数字微镜，同时该装置允许多原子全局并行和局部单格点测量和操控。由此，他们实现了填充率为99.2%二维原子阵列，并制备了平均保真度为95.6%、寿命为2.2秒的纠缠贝尔态。此外，他们将相邻的纠缠对连接起来，制备了10个原子的一维纠缠链和8个原子的二维纠缠块。这项研究工作标志着使用光学晶格向大规模量子计算和模拟迈出了重要一步。
