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，其中就包括測試量子力學(xué)基本概念、量子計算、量子密碼學(xué)和量子計量學(xué)等。

之前的實驗制備圖態(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)多項式衰減。

然而由于實驗技術(shù)方面存在的困難，該方案此前未能實現(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)域取得重要進展，首次在實驗上利用量子存儲器實現(xiàn)高效制備非局域圖態(tài)，展示了量子存儲器在大規(guī)模分布式系統(tǒng)中進行量子信息處理和量子測量的應(yīng)用前景。

實驗方案示意圖

實驗過程中，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)能級當中一對鐘態(tài)能級躍遷，成功將冷原子量子存儲器的相干時間提升至數(shù)十毫秒量級。研究人員先利用第一個量子存儲器（QM1）產(chǎn)生一對光子和原子之間的糾纏態(tài)并將量子態(tài)存儲下來，然后再利用第二個量子存儲器（QM2）產(chǎn)生第二對光子和原子之間的糾纏態(tài)，最后同時讀取兩個量子存儲器內(nèi)部的量子態(tài)并將他們投影到目標的四光子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EPR糾纏對制備效率，與沒有使用量子存儲方案所導(dǎo)致的制備效率正比于單個EPR糾纏對制備效率二次方關(guān)系相比，改變了制備效率在規(guī)?；系膹?fù)雜度。當未來需要連接N對糾纏對時，其制備效率將從指數(shù)衰減量級上升到多項式級別，展示了量子存儲方案在制備大規(guī)模圖態(tài)的優(yōu)越性。

除此之外，研究人員還進一步利用制備的四光子GHZ態(tài)驗證了MABK不等式，并演示了量子密碼學(xué)當中的量子秘鑰分發(fā)協(xié)議。此項工作實現(xiàn)了一個高效制備大規(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《量子存儲器增強的非局域圖態(tài)制備》(Quantum-Memory-Enhanced Preparation of Nonlocal Graph states)于近日在國際學(xué)術(shù)期刊《物理評論快報》(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。該項目得到了該項目得到了國家重點研發(fā)計劃（項目編號2020YFA0309500）、教育部量子信息前沿科學(xué)中心、清華大學(xué)自主科研計劃、清華大學(xué)科研啟動基金、清華大學(xué)水木學(xué)者計劃和博士后國際交流計劃引進項目的資助與支持。

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