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攻克多体量子纠缠态制备调控难题

2019-01-28 10:55:45来源：中国科学报  

作为量子物理世界中一种极为奇特的现象，量子纠缠因其在量子计算、量子精密测量以及基础物理研究等方面的核心价值受到了物理学家的广泛关注。多粒子纠缠态的制备与操控一直是物理学家孜孜不倦的奋斗目标。

在国家自然科学基金委员会重大研究计划“单量子态的探测及相互作用”支持下，清华大学教授尤力课题组在铷-87原子的玻色爱因斯坦凝聚体(BEC)中诱导量子相变，确定性地制备了一种被称为双数态的多粒子纠缠态。原理上，该工作利用了BEC中的原子的不可区分性，以及两个磁矩为0的铷—87原子可以发生自旋交换碰撞产生磁矩相反的纠缠原子对等现象来实现这种多粒子纠缠态。

为此，科学家搭建了新的实验平台，每40秒内确定性地制备一个约含有10000个原子的双数态。BEC从非纠缠的初态到双数态的转化效率达96%左右，其量子相干性达到了理想值的99%，可验证的纠缠原子数至少为910个。

在业内专家们看来，这项工作在国际上首次展示了量子相变可以作为制备多体量子纠缠态的有效手段，中国科学家所制备双数态的转化率、压缩系数、相干性、纠缠深度等指标都处于国际领先水平。

在量子调控和检测方面，科学家瞄准了“里德堡原子”的量子调控难题。里德堡原子间存在强偶极相互作用，这一特性在量子计算和量子信息处理方面有重要应用前景。

近年来，尤力课题组与中国科学院武汉物理与数学研究所刘红平合作，利用对称性破缺实现了“偶极里德堡原子”的量子调控。

研究人员介绍，实验采用动力学的方法实现固定方向偶极单量子态里德堡原子的制备与探测。在实验方面，科学家搭建了一套先进的飞行时间质谱仪，并结合成像技术与激光光谱技术开展研究。同时利用大电偶极原子与外场相互作用会直接影响原子在梯度电场中的运动状态特性，发展了高分辨高灵敏量子态检测技术。

该研究在理论上建立了多能级系统相互作用的态演化量子力学方法，从而提供了一个清晰的里德堡原子量子态动力学演化物理图像。不久前，这一研究结果发表在世界物理学顶级学术期刊《物理评论快报》上。

专家指出，这为室温下研究偶极阻塞效应奠定了基础，也为偶极阻塞效应开辟新领域夯实了基础。

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