光晶格中纠缠的产生与判定

Entanglement is one of the most intriguing features of quantum mechanics. It is a necessary ingredient in most emerging quantum technologies, such as quantum teleportation, quantum cryptography, quantum repeaters. Moreover, it is a central resource for the exponential speedup in some quantum algorithms and measurement-based quantum computation. Entanglement of long-lived neutral atoms in optical lattices, not only provides platforms for studying strongly-correlated many-body quantum systems, but also serves as promising candidate for the implementation of scalable quantum information processing. Tremendous experimental efforts have been devoted to generate entanglement in optical lattices. Until now, however, the generation of multi-partite entanglement in optical lattices remains challenging and unambiguous characterization of entanglement in optical lattices has not been reported yet. Here, we propose to create four-atom Schr?dinger cat state and characterize the generated Bell state in optical lattices. Furthermore, we will explore the applications of such kind of entangled states in quantum information processing and quantum simulation such as testing the Bell inequality and simulating the statistical property of anyons.

纠缠是量子力学最奇妙的特征，它是量子态隐形传输，量子秘钥分发，量子中继器等新兴量子技术的重要元素。同时，它又是许多重要的量子算法和基于测量的量子计算的核心资源，也是量子计算能力能够指数级提高的关键所在。利用光晶格中的长寿命中性原子形成的纠缠，不仅能够提供研究强关联多体量子系统的实验平台，同时它又是最有希望实现可扩展量子信息处理的实验系统。国际上许多著名的实验小组都在致力于产生光晶格中的纠缠。尽管如此，到目前为止，在光晶格中产生多体纠缠仍然是一件非常具有挑战性的事情，此外，人们仍然未能找到一种好的方法来判定光晶格中的纠缠。在该项目中，我们将致力于产生光晶格中的四原子薛定谔猫态和判定光晶格中的Bell态的纠缠，并且我们将利用产生的纠缠态来进行Bell不等式的破坏，任意子的统计性质的模拟等一系列量子信息处理和量子模拟的研究。

量子纠缠是实现量子隐形传态，量子中继器，量子计算机等新兴量子技术的基础。本项目致力于利用超冷原子来探索纠缠的产生与操纵技术。在项目执行期间，我们对超冷原子实验操控技术进行了全方位的革新，搭建了一套可以同时冷却操控锂和钾原子的世界领先的实验平台。通过发展新一代的激光冷却、高效率磁输运、高功率窄线宽激光、光阱陷俘、高分辨成像等核心技术，我们最终成功地在一种独创的“碟片交叉光阱”中首次实现了质量不平衡的玻色-费米双超流体。以此为基础，我们又进行了有关涡旋晶格动力学过程、玻色-费米双超流体集体激发、强相互作用费米气体绝热膨胀动力学过程等课题的研究，发现了该混合超流体系中的一系列异常行为，积极带动了相关理论研究。此外，我们还通过一种低走离、高非线性系数的参量下转换BiBo晶体获得高收集效率的纠缠源，收集效率相比于八光子纠缠技术提高了约40%，并最终以60.6%的保真度成功制备了十光子薛定谔猫态，开创了利用BiBO晶体实现多光子纠缠的技术先河。