清華大學(xué)實(shí)現(xiàn)量子存儲(chǔ)器增強(qiáng)的非局域圖態(tài)制備

3月2日消息（余予）據(jù)悉，圖態(tài)是一類重要的多體糾纏態(tài)，因其廣泛的應(yīng)用前景而不斷受到研究人員的關(guān)注，其中就包括測(cè)試量子力學(xué)基本概念、量子計(jì)算、量子密碼學(xué)和量子計(jì)量學(xué)等。

之前的實(shí)驗(yàn)制備圖態(tài)，特別是線性光學(xué)系統(tǒng)中的Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ)態(tài)，其制備效率隨系統(tǒng)規(guī)模呈現(xiàn)指數(shù)衰減定律，這限制了其在大規(guī)模量子網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。為了克服非局域圖態(tài)制備的可擴(kuò)展性問題，段路明教授等人提出了一套高效制備圖態(tài)的理論方案，制備效率隨系統(tǒng)規(guī)模呈現(xiàn)多項(xiàng)式衰減。

然而由于實(shí)驗(yàn)技術(shù)方面存在的困難，該方案此前未能實(shí)現(xiàn)。

近日，清華大學(xué)交叉信息研究院段路明研究組在量子信息領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，首次在實(shí)驗(yàn)上利用量子存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)高效制備非局域圖態(tài)，展示了量子存儲(chǔ)器在大規(guī)模分布式系統(tǒng)中進(jìn)行量子信息處理和量子測(cè)量的應(yīng)用前景。

實(shí)驗(yàn)方案示意圖

實(shí)驗(yàn)過程中，研究人員通過將超低溫的銣原子氣體囚禁在光晶格中，并利用原子基態(tài)能級(jí)當(dāng)中一對(duì)鐘態(tài)能級(jí)躍遷，成功將冷原子量子存儲(chǔ)器的相干時(shí)間提升至數(shù)十毫秒量級(jí)。研究人員先利用第一個(gè)量子存儲(chǔ)器（QM1）產(chǎn)生一對(duì)光子和原子之間的糾纏態(tài)并將量子態(tài)存儲(chǔ)下來，然后再利用第二個(gè)量子存儲(chǔ)器（QM2）產(chǎn)生第二對(duì)光子和原子之間的糾纏態(tài)，最后同時(shí)讀取兩個(gè)量子存儲(chǔ)器內(nèi)部的量子態(tài)并將他們投影到目標(biāo)的四光子GHZ態(tài)上。

研究結(jié)果表明，通過這種方式產(chǎn)生的四光子GHZ態(tài)，其制備效率線性正比于單個(gè)EPR糾纏對(duì)制備效率，與沒有使用量子存儲(chǔ)方案所導(dǎo)致的制備效率正比于單個(gè)EPR糾纏對(duì)制備效率二次方關(guān)系相比，改變了制備效率在規(guī)?；系膹?fù)雜度。當(dāng)未來需要連接N對(duì)糾纏對(duì)時(shí)，其制備效率將從指數(shù)衰減量級(jí)上升到多項(xiàng)式級(jí)別，展示了量子存儲(chǔ)方案在制備大規(guī)模圖態(tài)的優(yōu)越性。

除此之外，研究人員還進(jìn)一步利用制備的四光子GHZ態(tài)驗(yàn)證了MABK不等式，并演示了量子密碼學(xué)當(dāng)中的量子秘鑰分發(fā)協(xié)議。此項(xiàng)工作實(shí)現(xiàn)了一個(gè)高效制備大規(guī)模圖態(tài)的原型，從而為其在量子信息科學(xué)和量子計(jì)量中的各種應(yīng)用邁出了重要的一步。

四光子GHZ態(tài)制備效率提升

該成果的研究論文《量子存儲(chǔ)器增強(qiáng)的非局域圖態(tài)制備》(Quantum-Memory-Enhanced Preparation of Nonlocal Graph states)于近日在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)上發(fā)表。

該論文的共同第一作者為清華大學(xué)交叉信息院博士后張勝和助理教授吳宇愷，通訊作者為段路明教授，其他作者還包括交叉信息院博士畢業(yè)生李暢（現(xiàn)為法國(guó)斯特拉斯堡大學(xué)博士后）、蔣楠（現(xiàn)為北京師范大學(xué)講師）和助理教授濮云飛。該項(xiàng)目得到了該項(xiàng)目得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（項(xiàng)目編號(hào)2020YFA0309500）、教育部量子信息前沿科學(xué)中心、清華大學(xué)自主科研計(jì)劃、清華大學(xué)科研啟動(dòng)基金、清華大學(xué)水木學(xué)者計(jì)劃和博士后國(guó)際交流計(jì)劃引進(jìn)項(xiàng)目的資助與支持。

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