中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)自旋磁共振實(shí)驗(yàn)室林毅恒教授團(tuán)隊(duì)與香港中文大學(xué)袁海東教授團(tuán)隊(duì)合作，在量子糾纏態(tài)制備領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)利用離子阱系統(tǒng)的振動模式，在實(shí)驗(yàn)中演示可編程耗散工程方法，成功制備穩(wěn)態(tài)的兩模、三模和五模量子多體糾纏態(tài)。相關(guān)成果以“Programmable Multi-Mode Entanglement via Dissipative Engineering in Vibrating Trapped Ions”為題，于7月2日發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《Science Advances》上。

多模糾纏態(tài)作為量子計(jì)算、量子通信與量子精密測量等領(lǐng)域的重要資源，如何實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定且可擴(kuò)展的多模糾纏態(tài)備受關(guān)注。主要難點(diǎn)之一在于量子系統(tǒng)易受環(huán)境噪聲干擾，也就是耗散現(xiàn)象，使得傳統(tǒng)制備方法不得不將系統(tǒng)與環(huán)境隔離，以減少耗散影響。近年來，實(shí)驗(yàn)和理論研究帶來新的思路，發(fā)現(xiàn)在精心設(shè)計(jì)下，耗散過程能轉(zhuǎn)化為生成特定量子態(tài)的資源，即“耗散工程”，乃至于可以自發(fā)產(chǎn)生穩(wěn)定的目標(biāo)狀態(tài)。然而，此前相關(guān)實(shí)驗(yàn)展示局限于單體或兩體系統(tǒng)，多個(gè)玻色模式糾纏制備的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)仍然存在顯著挑戰(zhàn)。

本研究通過對束縛鈣離子鏈的激光精確操控，產(chǎn)生耗散的自旋與多個(gè)振動模式之間的耦合，實(shí)現(xiàn)特定耗散過程的可控編程。這一操作使得高度糾纏的目標(biāo)量子態(tài)是系統(tǒng)的唯一穩(wěn)定狀態(tài)，同時(shí)驅(qū)動其他狀態(tài)自發(fā)的向目標(biāo)態(tài)流動，呈現(xiàn)“自動穩(wěn)定”的特性，大幅提升了技術(shù)的實(shí)用性和適用范圍。最終，團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了從初始熱態(tài)出發(fā)，以超過84%的保真度，確定性的制備出兩模、三模和五模的多體壓縮糾纏態(tài)，并進(jìn)行了全面表征。其中，通過測量模式間的量子關(guān)聯(lián)，以及應(yīng)用van Loock–Furusawa不等式等標(biāo)準(zhǔn)判據(jù)，驗(yàn)證了糾纏態(tài)的成功制備及其真多體糾纏屬性。

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圖（a）:實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖，通過受控的耦合束縛離子的多個(gè)振動模式與耗散的自旋，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)多模糾纏制備。圖（b,c）:實(shí)驗(yàn)制備的三模和五模壓縮態(tài)的部分測量結(jié)果，展示系統(tǒng)在多個(gè)正交狀態(tài)的顯著布居。

本研究充分展示了離子阱平臺在連續(xù)變量量子信息處理中的獨(dú)特潛力。所展示的耗散工程方法具備普適性，未來可被應(yīng)用于超導(dǎo)電路、冷原子系統(tǒng)、光機(jī)械系統(tǒng)等多種物理平臺。隨著量子技術(shù)不斷向工程化與系統(tǒng)化邁進(jìn)，基于耗散的糾纏構(gòu)建方法將為構(gòu)建穩(wěn)定可靠的量子信息處理系統(tǒng)提供有力支撐，在量子計(jì)算、多參數(shù)測量等研究領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士后李岳、博士研究生李易和程序?yàn)楸疚墓餐�第一作者，林毅恒教授為通訊作者。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、科技部等項(xiàng)目的支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1126/sciadv.adv7838