512个量子比特！中性原子量子计算取得重大突破

光子盒研究院出品

在量子计算领域，所有量子体系结构共同面临的一个核心挑战是在扩大系统规模的同时保持对单个量子比特的高保真控制和低串扰。目前，中性原子阵列已经成为一种很有前途的量子体系结构，可以突破目前对系统规模、相干性和高保真态制备和控制的限制。

在中性原子系统中，单个中性原子被捕获在光镊阵列中，通过将它们激发到里德伯态来产生原子之间的相干相互作用。原子阵列实验已经达到了数百个原子的系统规模，包括哈佛大学Mikhail Lukin团队256个原子(量子比特)的可编程量子模拟器，证明了这种平台的潜力。

然而，这些演示仅限于单个原子元素的阵列，其中原子的相同性质使得大量原子量子比特的无串扰控制和非破坏性读出具有挑战性。

在最近一项研究中，芝加哥大学Hannes Bernien团队实现了一种双元素原子阵列，可以单独控制单个铷原子和铯原子。研究人员使用512个光镊捕获铷原子和铯原子各256个，并观察到两个元素之间的串扰可以忽略不计。

由此，中性原子体系实现了创纪录的512量子比特。论文已经发表在《物理评论X》上[1]。

研究人员使用双波长光镊阵列从激光冷却的铷和铯原子云中装载并捕获单个原子。实验装置如图1所示。他们使用声光偏转器(AOD)和空间光调制器(SLM)分别在811 nm(红色)和910 nm(深红色)的激光波长下产生光镊。AOD路径中的可选空间滤波器可以选择性地屏蔽陷阱并生成所需的几何图形。

然后通过偏振分束器(PBS)将AOD和SLM捕获阵列进行组合。这些组合的陷阱沿着共享光束路径传播，并被高NA显微镜物镜聚焦到真空室中，从而产生任意的阵列几何图形。相同的物镜将陷阱成像到电荷耦合器件(CCD)相机上，以实现基于反馈的强度均匀化。使用第一个物镜收集铷的780 nm(蓝色)和铯的852 nm(黄色)原子荧光，并使用自定义二向色镜沿共享光束路径反射到电子倍增CCD(EMCCD)相机。通过在EMCCD之前分离荧光波长并执行单独的空间滤波，改善了信号背景比。

图1 实验装置

作为双元素原子阵列的第一个演示，研究人员将铷光镊阵列与铯光镊阵列交织在一起，形成512个位置的双晶格，其中每个铷原子位于二维晶格上四个铯原子的中心。从双元素磁光阱(MOT)装载光镊阵列后，分别拍摄了光镊中铷原子和铯原子的后续荧光图像。

双晶格的平均和单次荧光图像如图2所示。图2A和2B显示了同时装载的铷(蓝色)和铯(金色)原子的平均和单次荧光图像。图2C和2D分别显示了仅包含铯和铷原子的平均和单次荧光图像。每个原子位置都有空间分辨率，因此可以对两种元素进行单次单原子探测。

图2 双元素512原子阵列

为了进一步证明铷原子和铯原子的独立装载和控制，还构建了各种双元素任意阵列，如图3所示，包括铷原子修饰的铯六边形阵列、二分蜂窝晶格和两个著名的芝加哥地标：希尔斯大厦和Bean(云门)。

图3 具有双元素阵列的任意几何图形

该项目的首席研究员、芝加哥大学普利兹克分子工程学院的助理教授Hannes Bernien曾跟随荷兰代尔夫特理工大学Ronald Hanson教授和哈佛大学Mikhail Lukin教授进行研究，在中国物理学会和中国科学技术大学合办的Quantum 2020会议上，Bernien获得了青年科学家奖。

图4 Hannes Bernien

Bernien表示，在由两种不同元素的原子组成的混合阵列中，任何原子的最近邻居都可以是另一种元素的原子，频率完全不同。这使得研究人员更容易测量和操纵单个原子，而不受周围原子的任何干扰。它还使研究人员避开原子阵列的标准复杂性：很难将一个原子长时间固定在一个地方。

Bernien说：“当你用单一原子做这些实验时，在某个时刻，你会失去原子，然后你必须重新初始化你的系统，首先制造一个新的冷原子云，等待单个原子再次被激光捕获。而我们这种混合设计可以分别对这些元素做实验。我们可以用一种元素的原子做实验，同时刷新其他原子，然后切换，这样我们总是有可用的量子比特。”

总之，Bernien团队创造的混合阵列包含512个原子。就量子计算机而言，512个量子比特已经足够多：IBM的超导量子计算机最多只有127个量子比特。虽然Bernien的设备还不是量子计算机，但由原子阵列制成的量子计算机更容易扩展，这将带来一些重要的新见解。

Bernien说：“实际上我们不知道当你扩展一个相干性非常好的系统时会发生什么，这种捕获原子的方法可以成为探索未知状态下大系统量子效应的极好工具。”

这种原子阵列的混合性质也为许多应用打开了大门，而这些应用对于单一种类的原子来说是不可能的。由于这两种物质是独立可控的，一种元素的原子可以用作量子存储器，而另一种元素可以用于进行量子计算，分别扮演计算机上的RAM和CPU的角色。

参考链接：

[1]https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.12.011040

[2]https://phys.org/news/2022-03-elements-possibilities-hybrid-atomic-quantum.html

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