科研进展

量子纠缠作为量子物理有别于经典世界的一项关键性质，描述了两体、多体系统中超越经典的量子关联。量子纠缠被广泛认为是量子信息处理的基本资源，例如在量子隐形传态与基于测量量子计算中的应用。多体量子纠缠制备与操控是衡量量子计算机性能的关键指标，是当前量子信息领域的前沿研究。此外，量子纠缠也在物理学的其它领域中也扮演着重要角色，例如用来刻画量子相变、非平衡多体物理等。

近期，复旦大学信息科学与工程学院、电磁波信息科学教育部重点实验室青年副研究员周游与中国科学技术大学潘建伟院士、苑震生教授研究组，清华大学马雄峰教授合作，在量子纠缠领域取得了一项重大突破。相关成果在国际知名学术期刊《物理评论快报》上发表[1]，同时入选编辑推荐文章（Editors' Suggestion）和Featured in Physics，随后还获得了新华社的报道。（报道链接：新突破！祝贺中国科学家）

超冷原子系统因其优秀的可扩展性被认为是量子信息处理，特别是量子模拟的出色平台。然而，量子多体纠缠的理论验证与实验实现面临前所未有的挑战。在理论方面，超冷原子光晶格系统中产生的多体量子态并不是标准的稳定子态，这超出了以往的纠缠探测框架。另外，由于光晶格的周期性限制，用于读取量子态的测量基矢受到了较大限制。为了解决这些难题，通过与中国科大实验组，清华大学理论组的密切交流合作，周游深入研究了相关理论问题，相关工作发表在量子信息领域顶级期刊npj-Quantum Information[2]和Physical Review A[3]上。这些前期理论工作为最终的实验实现提供了基础。

最终，科研人员取得了填充率高达99.2%的原子二维阵列的制备及原位观测，选择了49对原子制备了高度纠缠的贝尔态，其平均保真度达到了95.6%，寿命为2.2秒。同时，他们利用纠缠门技术将相邻的纠缠对连接起来，首次成功制备了10原子一维纠缠链和8原子二维纠缠块。这一突破性工作不仅突破了光晶格中原子纠缠对连接和多原子纠缠态判定的瓶颈，也为未来的测量量子计算等研究奠定了坚实基础。

未来周游课题组将继续深入开展量子信息基础理论与应用研究，特别在量子关联刻画与探测、量子计算系统标定、量子信息扩散机制、量子模拟算法等方向开展研究，为下一步的实用化量子优势展示研究奠定坚实的理论基础。期待在这一重要领域做出更多有趣的工作，不负国家对青年科学家的关怀和鼓励。

[1] Wei-Yong Zhang, Ming-Gen He, Hui Sun, Yong-Guang Zheng, Ying Liu, An Luo, Han-Yi Wang, Zi-Hang Zhu, Pei-Yue Qiu, Ying-Chao Shen, Xuan-Kai Wang, Wan Lin, Song-Tao Yu, Bin-Chen Li, Bo Xiao, Meng-Da Li, Yu-Meng Yang, Xiao Jiang, Han-Ning Dai, You Zhou, Xiongfeng Ma, Zhen-Sheng Yuan, and Jian-Wei Pan, “Scalable Multipartite Entanglement Created by Spin Exchange in an Optical Lattice.” Phys. Rev. Lett. 131, 073401(2023)

[2] You Zhou, Bo Xiao, Meng-Da Li, Qi Zhao, Zhen-Sheng Yuan, Xiongfeng Ma and Jian-Wei Pan,  A scheme to create and verify scalable entanglement in optical lattice. npj Quantum Information 8.1 (2022): 99.

[3] Yihong Zhang, Yifan Tang, You Zhou, and Xiongfeng Ma, Efficient entanglement generation and detection of generalized stabilizer states. Physical Review A 103.5 (2021): 052426.