中科院精密測量院實現(xiàn)二維無缺陷異核單原子量子計算陣列
近日，中國科學院精密測量科學與技術創(chuàng)新研究院詹明生研究團隊在實驗上實現(xiàn)了二維的異核單原子陣列，原子陣列的填充效率達到88%以上，為基于異核單原子陣列的量子計算、量子模擬和超冷分子陣列的研究開辟了新途徑。相關研究成果發(fā)表在《物理評論快報》上。 dFy GI?
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當前，原子數(shù)目可控、長相干時間、相互作用可調的中性原子體系已成為量子計算、量子模擬和超冷分子陣列研究的重要平臺，其中制備任意形狀無缺陷的單原子陣列是在該平臺開展上述研究的前提和基礎。自2016年美國和法國的兩個研究團隊同步利用單原子重排技術實現(xiàn)無缺陷單原子陣列的制備以來，人們對單原子陣列的調控能力在不斷提升，陣列的維度從一維拓展到二維和三維，原子的數(shù)目從50個擴展到數(shù)百個；每一次調控能力的提升都拓展了在平臺上開展研究的深度和廣度，催生了一批重要的實驗進展，如量子多體疤痕態(tài)的發(fā)現(xiàn)、自旋液體的探測等。 |gIE$rt-~W
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然而在量子計算和量子模擬的研究中，當量子比特的數(shù)量擴展以后，同核體系在量子邏輯門操作和量子比特的初始化和狀態(tài)讀出時存在突出的串擾問題。一個避免串擾的途徑是利用異種原子共振頻率的差異來建立光譜隔離的異種原子量子比特體系。這樣的體系既可以用于執(zhí)行量子計算中不同的任務，如其中的一種原子量子比特作為糾錯碼中的校驗子，另一種原子作為數(shù)據(jù)量子比特，如此可能有效地執(zhí)行糾錯并避免串擾；也可以用于量子模擬中，因為額外的操控自由度為多組分多自旋體系的模擬提供了條件。所以，相比同核體系，異核原子體系在量子模擬、量子計算和量子精密測量等領域有更加廣闊的應用前景。此外，異種原子陣列體系的建立也是實現(xiàn)極性單分子陣列合成的必要途徑。 X-#&]^d
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國際上無缺陷異核原子陣列尚未見報道過，這其中的挑戰(zhàn)在于異核單原子的裝載和重排中對錯位原子的處理。該研究團隊通過精確調控激光的失諧和功率解決了兩種原子均勻裝載的問題，并發(fā)展了集團啟發(fā)算法，結合優(yōu)先級標定的算法，有效地排列了錯位的原子，實現(xiàn)了15個87Rb加15個85Rb的異核單原子陣列。研究團隊演示了該算法對不同二維原子陣列排列的有效性，展示了棋盤型、晶格交叉型、斑馬線型等多種構型原子陣列。至此，結合團隊前期在異核原子量子糾纏【Phys. Rev. Lett. 119, 160502 (2017)】、魔幻光阱異核原子均衡相干時間【Phys. Rev. Lett.124, 153201 (2020)】和異核原子相干形成單分子【Science 370, 331–335 (2020)】等方面完成的系列工作，該研究團隊已經成功創(chuàng)建了獨具特色的雙組份單原子陣列平臺，未來有望基于該多體量子平臺在量子計算、量子模擬、單分子陣列、精密測量、多體物理等方面的研究中取得進展。 PcqS#!t
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從隨機裝載的異核原子初始陣列排列成多種不同形狀的原子構型 ,V w>3|C
該研究得到了科學技術部重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金委、中科院戰(zhàn)略性先導科技專項和中科院青年創(chuàng)新促進會項目的資助。
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