精密測量院實(shí)現(xiàn)二維無缺陷異核單原子量子計(jì)算陣列

精密測量研究院詹明生科研團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了二維的異核單原子陣列，原子陣列的填充效率達(dá)到88%以上，為基于異核單原子陣列的量子計(jì)算、量子模擬和超冷分子陣列的研究開辟了新的途徑。該研究工作相關(guān)研究成果發(fā)表在國際著名的物理學(xué)學(xué)術(shù)期刊《物理評論快報》上。并作為本期重要研究成果入選為編輯推薦論文（Editor’s Suggestion）和物理特色論文（Featured in Physics）。同時，美國物理學(xué)會網(wǎng)刊配發(fā)了解讀文章“由兩種類型的原子組成的量子計(jì)算陣列 (Quantum Computing Arrays Made of Two Types of Atom)”對這一研究成果做了專文評述。

當(dāng)前，原子數(shù)目可控、長相干時間、相互作用可調(diào)的中性原子體系已成為量子計(jì)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(chǔ)。自2016年美國和法國的兩個研究團(tuán)隊(duì)同步地利用單原子重排技術(shù)實(shí)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(diào)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(kuò)展到數(shù)百個；每一次調(diào)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(shí)驗(yàn)進(jìn)展，如量子多體疤痕態(tài)的發(fā)現(xiàn)、自旋液體的探測等。

然而在量子計(jì)算和量子模擬的研究中，當(dāng)量子比特的數(shù)量擴(kuò)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)讀出時存在突出的的串?dāng)_問題。一個避免串?dāng)_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(jì)算中不同的任務(wù), 如其中的一種原子量子比特作為糾錯碼中的校驗(yàn)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?dāng)_；也可以用于量子模擬中,因?yàn)轭~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(jì)算和量子精密測量等領(lǐng)域有更加廣闊的應(yīng)用前景。此外，異種原子陣列體系的建立也是實(shí)現(xiàn)極性單分子陣列合成的必要途徑。

但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。詹明生研究團(tuán)隊(duì)在研究員何曉東、許鵬攻關(guān)下，通過精確調(diào)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(tuán)啟發(fā)算法結(jié)合優(yōu)先級標(biāo)定的算法有效地排列了錯位的原子，實(shí)現(xiàn)了15個87Rb加15個85Rb的異核單原子陣列。研究團(tuán)隊(duì)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(gòu)型原子陣列。至此，結(jié)合團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)已經(jīng)成功創(chuàng)建了獨(dú)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(jì)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突出的進(jìn)展。

從隨機(jī)裝載的異核原子初始陣列排列成多種不同形狀的原子構(gòu)型

 該研究成果以“Defect-Free Arbitrary-Geometry Assembly of Mixed-Species Atom Arrays”為題發(fā)表在物理學(xué)學(xué)術(shù)期刊《物理評論快報》上，特別研究助理盛誠為第一作者，鄭州大學(xué)博士后郭瑞軍參與了該項(xiàng)研究。

該研究得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金委、中科院先導(dǎo)專項(xiàng)和中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會項(xiàng)目的資助。