如何評價中國科大在超冷原子光晶格量子計算上的進展？

01-02

中國科大在超冷原子光晶格量子計算領域取得重要進展

簡單評價幾個點

文章NPHYS3705，基本符合nature physics的水平，是個好工作。

1. 分辨達到 $1mu m$ 。這個很不錯，但是並沒有突破任何事情。這個解析度受到數值孔徑調製，解析度為 $1.22lambda/2 ext{NA}$ ，如果達到 $1mu m$ ，就相當於NA達到0.2的程度。——恕我直言，這個並不是很貴。當然如果你說你的定義和我差個2，你的NA有0.4——那就有點不錯了，但是人家Bloch組（德國），Greiner組（美國），早就達到了~0.7的NA，這個還差著一些。不過這也不是啥重點。

2. 超晶格中左右格點及兩種原子自旋等自由度的高保真度量子調控。語焉不詳，我看了一下原文，最大的問題在於要找頻率匹配很準的，鎖相激光器，其實最終結果就是對一維鏈加上奇怪的項，比如long-range interaction；而做到spin-dependent就是利用了費米子的反對稱性從而強心把自旋空間選出來，是個好手段。這套技術很多地方用過，比較著名的有nature10871，PRL. 115. 260401。此外，物理上說，長程作用適合糾纏的製備這個很顯然，但是類似的各種文章都研究過很多，比如用光子晶體啊之類的。這個準確地講還是局限在類似的想法里。

內容想法挺好，缺點是scaling和defect-free。糾纏這玩意兒也不是說你實現了就有用的。離『在量子計算領域取得重要進展』還差得遠。

瀉藥，貼一下我在同類問題的答案作參考，同時製備並測量600對量子糾纏態的量子是個什麼水平？ - Golden Horqin 的回答

作者：Golden Horqin
鏈接：同時製備並測量600對量子糾纏態的量子是個什麼水平？ - Golden Horqin 的回答
來源：知乎
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首先必須說量子計算機的實現途徑很多，各有優劣，糾纏數目不能橫向比較。
但是，這次的成果還是非常大的，因為這確實是世界首次在超晶格中實現600多對原子的糾纏。
那麼，這種實現量子計算的方法到底是什麼？

超冷原子光晶格-單向量子計算。
首先說單向量子計算。
這個和之前的超導電路、量子阱、量子點、線性光學的實驗都不同，它不形成邏輯門和電路，通過製備糾纏態和測量完成計算，一次計算完成後糾纏源就被毀掉了，需要重新製備，但兩者的計算能力是等價的。

The one-way or measurement based quantum computer (MBQC) is a method of quantum computing that first prepares an entangledresource state, usually a cluster state or graph state, then performs single qubit measurements on it. It is "one-way" because the resource state is destroyed by the measurements.

其次說超冷原子光晶格。
這是實現單向量子計算的一種方法，具體來說

基於超冷原子光晶格體系，2008年牛津大學的Jaksch小組提出了可拓展糾纏態產生的「三步走」方案，其中第一步就是並行的產生相鄰原子比特之間的糾纏，形成大量的原子比特糾纏對。之後再經過橫向連接和縱向連接兩步即可實現大量量子比特的二維糾纏態，這樣就製備了基於測量的單向量子計算的基本資源。

我們首先完成了第一步，之前據說超冷原子光晶格的方法由於原子之間距離過近難以單獨操控，所以不太被看好，這次我們應該是有一些突破的。

研究團隊首先把Rb87超冷原子BEC裝載到三維光晶格中的一層，進一步蒸發冷卻原子到低於10納開的超低溫，並實現了這層二維晶格中的超流態到Mott絕緣態的量子相變，從而獲得了每個格點上有且只有一個原子的人工晶體。研究人員創造性地開發了具有自旋依賴特性的超晶格系統，形成了一系列並行的雙阱勢，並且在每個雙阱勢中用光場產生了有效磁場梯度，結合微波場，實現了對超晶格中左右格點及兩種原子自旋等自由度的高保真度量子調控。該團隊還開發了光學分辨約為1微米的超冷原子顯微鏡，對這層晶格中的原子進行高分辨原位成像，具備了高分辨、高靈敏度的成像能力。通過以上關鍵實驗技術的突破，該研究團隊獲得了光晶格中超冷原子量子調控能力的大幅提升，從而首次在光晶格中並行製備並測控了約600對超冷原子比特糾纏對，即可擴展糾纏態製備「三步走」方案中最關鍵的第一步，邁出了面向可升級量子計算的重要一步。

下一步計劃是：

在下一步的實驗中，該研究團隊將進一步降低光晶格中超冷原子的溫度，並嘗試「三步走」方案中的第二步，實現約百個原子比特的糾纏，開展可擴展量子計算和量子模擬方面的實驗研究。

只是這次已經10nK了，下次比這個溫度還要低，我覺得實驗做起來會很困難，而且這個對溫度要求確實太高了。因為我之前在半導體量子點中看到的溫度都是mK量級的，所以還是非常驚訝的。
權當拋磚引玉，歡迎討論，畢竟非專業人士。

謝邀。

新聞報道語焉不詳（當然也不用指望記者能說清楚這麼專業的問題）。實際情況是，製備了600對糾纏的量子比特，糾纏只局限在每對內部，而不是600對量子比特互相之間都糾纏起來了。如果是後者，那就不得了了，可以製備出實用的量子計算機。現在的結果離實用還遠，但也相當不錯了。D-Wave的超過500個量子比特的專用於量子退火的計算機用的就是互相不糾纏的量子比特，我們至少達到了這個水平。新聞標題「中國科大在超冷原子光晶格量子計算領域取得重要進展」，重要進展，既不是日常進展，也不是革命性突破，這個評價是恰如其分的。

科大主頁的新聞我國學者在超冷原子量子模擬領域取得重大突破中國科學技術大學新聞網，發表在science最新的文章http://science.sciencemag.org/content/354/6308/83.full.pdf+html，science寫的評論http://science.sciencemag.org/content/354/6308/35.full

自旋軌道耦合描述粒子自旋和軌道運動之間的相互作用。舉個形象例子，一個帶電粒子在外磁場中運動時會受到一個與速度方向垂直的力（洛倫茲力），導致運動偏轉。改變外磁場或者粒子的速度方向都會改變偏轉方向。於是考慮如下情況，粒子存在兩種不同的內秉自旋態：自旋朝上和朝下。當粒子處在自旋朝上的狀態時，感受到一個方向朝上的磁場；而處在自旋朝下時，感受到一個方向朝下的磁場。那麼對於該運動粒子，處在自旋朝上和朝下的狀態會受到完全相反的洛倫茲力，導致相反的軌道偏轉。從而自旋和軌道耦合起來。這裡的關鍵是，與自旋有關的磁場並不是通常理解的外加真實磁場，而是通過操控由人工合成的模擬磁場或規範場。因此對不帶電的中性超冷原子，要產生人工自旋軌道耦合，關鍵要合成與自旋有關的人工規範場。相關理論和實驗研究大致可分為如下幾個階段。

第一階段：早期理論。2003到2004年，因斯布魯克大學Jaksch
和 Zoller [1]、維爾紐斯大學Juzeliunas和Ohberg [2]分別在光晶格和超冷費米氣體中提出與自旋無關的人工磁場的理論方案。2004年底，劉雄軍等人將後者方案推廣，引入自旋，理論提出合成自旋有關的人工規範場，從而產生人工自旋軌道耦合
[3]。沿著類似思路，劉雄軍等人[4]和華南師大朱詩亮等人[5]於2006年分別獨立在超冷原子中提出自旋霍爾效應的理論模型。這裡提出的自旋有關的人工規範場仍為特殊情形。在2005年，Osterloh等人[6]和Ruseckas等人[7]分別在光晶格中和連續超冷原子氣中首先提出更具一般性的被稱作為非阿貝爾人工規範場的理論方案。基於這些方案，理論上可以實現不同維度和類型的人工自旋軌道耦合。

第二階段：一維自旋軌道耦合的實驗和理論發展。早期的人工自旋軌道耦合方案在實驗上並不容易實現。2008-2009年，劉雄軍等人指出在簡單的Lambda體系中通過拉曼耦合可實現一維人工自旋軌道耦合[8]。這個體系被普遍用到實驗中來合成人工自旋軌道耦合和規範場。2009年，美國國家標準技術局（NIST）的Spielman小組合成人工磁場
[9]，並用中性原子模擬帶電粒子在電磁場中的行為
[10]。在此基礎上，2011年，他們率先人工合成了一維自旋軌道耦合的玻色愛因斯坦凝聚體
[11]。該研究為超冷原子量子模擬開闢了新方向，並引起了自旋軌道耦合效應的研究熱潮。迄今已有約10個研究小組報道實現了一維自旋軌道耦合和人工規範場，包括NIST、麻省理工、德國慕尼黑MPQ等國際著名研究機構。

中國科學技術大學潘建偉、陳帥和鄧友金等的實驗小組經過多年努力，在發展了對於激光和磁場精密操控的技術基礎上，致力於超冷原子量子模擬，人工規範場和自旋軌道耦合方向的研究。2009年開始搭建超冷原子量子模擬實驗裝置，2010年實現了國內第一個光阱中的玻色－愛因斯坦凝聚體。隨後，開始致力於人工合成規範場和自旋軌道耦合的實驗研究，並至2011年掌握了拉曼耦合技術，實現了一維自旋軌道耦合規範場的人工合成。

在一維自旋軌道耦合的研究階段，中科大實驗小組與清華大學翟薈理論小組進行了深入系統的合作研究。主要包括，2012年，系統性的研究了玻色愛因斯坦凝聚體在自旋軌道耦合規範場中的集體震蕩模式，發現了震蕩的非簡諧性，自旋震蕩與動量震蕩的關聯等
[12]。2014年，在沒有理論預言的前提下，實驗上確定了一維自旋軌道耦合的玻色氣體的有限溫度下的相圖，這項發現使人們能夠更清楚地理解自旋-軌道耦合的玻色氣體的基本特性
[13]。

在同一時期，山西大學的張靖實驗小組與清華大學翟薈理論小組合作，也取得了一系列重要進展。他們第一個在簡併費米氣體中實驗合成一維自旋軌道耦合
[14]。緊隨其後麻省理工學院Zwierlein實驗組也在費米氣中報道了實現 [15]。隨後張靖與翟薈的小組又通過調節原子之間的相互作用與自旋軌道耦合相結合，實現了分子的合成
[16]。

第三階段：高維自旋軌道耦合體系的理論研究。在一維自旋軌道耦合實驗持續開展的同時，理論上不斷提出新的高維自旋軌道耦合實現方案。如包括德州大學達拉斯分校張傳為等人對Tripod方案的改進
[17]；Campbell等人提出的多能級環形耦合方案
[18]；許志芳，尤力和Ueda提出的磁脈衝耦合方案
[19]；劉雄軍等人提出的拉曼光晶格方案
[20]。另一方面，基於自旋軌道耦合，大量新奇物理被研究，包括玻色子磁性相和條紋相，量子反常霍爾效應，拓撲絕緣態，拓撲超流與Majorana費米子， BCS-BEC轉換等一系列重要的現象。

第四階段：當前進展。2014年起，中國科大潘建偉、陳帥及鄧友金小組和北京大學劉雄軍小組合作；山西大學張靖與香港中文大學周琦合作，同時獨立開展二維自旋軌道耦合的理論和實驗研究。張靖等人率先在費米子中報道二維自旋軌道耦合的實現（Nature Physics 2016）[21]。中科大與北京大學聯合團隊率先在光晶格的玻色子中人工合成新的二維自旋軌道耦合，並觀察到自旋軌道耦合導致的能帶拓撲等現象
[22]。這些重要進展表明中國在人工自旋軌道耦合量子模擬的研究走在國際最前列，並將極大推動這個領域的未來發展。

參考文獻

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[21] L.
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[22] Z. Wu
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