中国科学家利用量子相变实现大粒子数量子纠缠态的制备

　　在国家自然科学基金项目（项目编号：91121005，91421305等）的资助下，清华大学物理系尤力教授与郑盟锟助理教授领导的冷原子研究团队在国际上首次利用原子玻色-爱因斯坦凝聚体中的量子相变确定性地制备出对精密测量具有重要意义的量子纠缠态。有关研究成果以“Deterministic entanglement generation from driving through quantum phase transitions”（通过量子相变确定性产生量子纠缠）为题于2017年2月10日发表在Science上。论文链接：http://science.sciencemag.org/content/355/6325/620.full。

　　量子纠缠既是实现量子计算和量子模拟的重要资源，也有助于实现超越经典干涉仪（如引力波探测的光学干涉仪LIGO）的测量精度极限。自20世纪90年代量子信息研究兴起以来，实现多粒子量子纠缠一直是量子物理实验研究的一大追求。量子纠缠态已经在核自旋、离子、光子和超导量子体系等物理系统中得到实现，但是这些系统中实现的纠缠态最多只包含十个左右的粒子或等同自由度的粒子。利用冷原子体系能够制备更大的纠缠态，可是以往的制备方式有很大的随机性。

　　清华大学物理系的冷原子研究团队近来取得了重大进展。他们通过调节系统中两种相互作用的相对大小，诱导系统发生量子相变，从而实现了大粒子数量子纠缠态的确定性制备。目前，该实验平台能在每40秒内确定性地制备一个约10000个原子组成的纠缠双数态，从非纠缠的初态到纠缠的末态的转换效率高达96±2%。通过对比量子测量结果和多粒子纠缠判据，可以以超过68.3%的置信度确证他们产生的双数态含有近千个原子（910个）的纠缠。不论是在量子噪声的压缩系数上或者是在多粒子量子相干性上，他们所制备的纠缠态均处于国际领先水平。该工作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。

　　图 实验原理与结果。（a）自旋1的旋量BEC基态取决于单原子内态的二阶塞曼能移（q）和凝聚体中自旋交换相互作用强度（c₂）的相对大小，依次出现Polar（P）、Broken-axis symmetry（BA）、Twin-Fock（TF）相。根据量子绝热定理，从P相的基态出发，通过改变q将系统从P相绝热扫到TF相，基态原子凝聚体将演化为纠缠的双数态。（b）实验观察到的不同自旋分量的原子吸收成像图，它给出了线性扫描q时BEC在各个内态上的分布随时间的变化。