都2022了，你还不知道中性原子量子计算机吗？

光子盒研究院出品

说到量子计算机，你可能会想到超导、离子阱、光量子等物理平台。但在过去五年间，中性原子已成为建造量子计算机竞赛中的黑马候选者。光子盒此前写过一篇《2022，量子计算为何掀起中性原子热？》，解释了其在量子模拟方面的优势。最近，Physics Today也写了一篇关于中性原子量子计算机的科普文章[1]，重点介绍了今年以来的进展。

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中性原子阵列

在中性原子量子处理器中，原子被称为光镊的紧密聚焦激光束阵列悬浮在超高真空中。研究人员已经扩大到100多个碱原子的阵列，每个碱原子都有一个价电子，并使用更小的阵列执行量子算法。现在，他们正在探索具有两个价电子的原子阵列中新的量子信息处理和测量能力，包括元素周期表第二列中的碱土原子和其他一些具有类似性质的原子，如镱。

碱土原子的光镊阵列在量子计算和精确计时方面都显示出了前景，它们可以编码具有长相干时间的新型量子比特，并用作最先进的原子钟。在未来，它们可能会帮助研究人员实现容错量子纠错协议，并大规模利用量子纠缠进一步推动原子钟性能的极限。

科罗拉多大学博尔德实验室的研究人员操纵光阱阵列中的中性原子。发光的绿色区域包含被捕获的原子。图片来源：Adam Kaufman

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原子如何变成量子比特

在一个光镊阱中，聚焦激光束的电场在原子中引发一个小的极化，将它拉向阱中心强度最大的区域。然后，研究人员可以随心所欲地拖动原子，或者将它固定在适当的位置，并用其他激光或微波脉冲轰击它，以激发特定的原子跃迁。

为了创建一个中性原子量子处理器，研究人员通过将入射激光束分成许多光束，并通过一个强大的显微镜物镜聚焦到玻璃真空室内，从而生成了一个光镊阵列。冷原子云被加载到光镊阵列中，然后重新排列，以产生以产生每个镊子中有一个原子的填充阵列。真空室外的光学装置使研究人员能够控制每个原子的精确位置，快速重新配置阵列，并独立调整每个光镊的陷阱势。

每个原子种类都有无限多个与不同量子态相关的离散能级。任何一对状态原则上都可以作为量子比特。在实践中，研究人员选择一对长寿命的低能态，使许多连续的量子逻辑操作能够在量子信息从量子比特泄漏到其环境中(退相干)之前执行。

处于低能态的中性原子之间的相互作用较弱，因此可以排列成紧凑的阵列。支持者认为这是中性原子量子计算相对于更成熟的方法的一个关键优势，更成熟的方法是使用电场中捕获的离子或在毫开尔文温度下的超导电路。将量子计算机从数百个量子比特扩展到数百万个量子比特，对于所有提出的体系结构来说都是一个挑战，但对于中性原子来说，空间并不是一个问题；一个毫米级阵列可以容纳多达一百万个量子比特。

为了开启量子比特之间的相互作用，研究人员用激光脉冲瞄准一对相邻的原子，将其中一个原子激发到一种称为里德堡态的高能态，其中价电子的轨道远离原子核。里德堡原子的强电偶极相互作用阻止了激光也激发它的邻居，这种效应被称为里德堡阻塞，但不可能知道哪个原子被激发。结果是两个无法单独描述的量子比特之间共享一个激发——量子纠缠的典型特征，这是量子计算机超越经典计算机的关键现象。在过去五年中，里德堡纠缠保真度显著提高，但仍落后于俘获离子和超导量子比特。

相邻的俘获原子可以被诱导进入量子纠缠态。图片来源：Bichen Zhang

4月，两个独立的小组，一个由哈佛大学的Mikhail Lukin领导[1]，另一个由威斯康星大学麦迪逊分校的Mark Saffman领导[2]，报告了首次在铷原子阵列中演示多步量子算法。

铷(Rb)是一种碱金属原子，长期以来一直是原子物理学的主力，部分原因是它的单价电子使它具有类似于氢的简单能级结构。基于铷的量子处理器在原子的超精细状态中编码量子比特，超精细状态是由价电子自旋与原子核自旋相互作用产生的密集能级。超精细量子比特比原子电子跃迁中编码的量子比特具有更长的相干时间，但不成对的电子自旋仍然使它们容易受到杂散磁场和与光镊光的剩余相互作用的退相干。

这些退相干源激发了人们对碱土原子光镊阵列量子计算的研究，由于碱土原子的两个价电子，它们具有更复杂的能级结构。额外的复杂性带来了新的技术挑战，但是也带来了编码和操纵量子信息的新方法。Saffman表示：“随着科技和激光技术的成熟，这是该领域向更复杂的原子发展的自然进程。”

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利用碱土

碱土原子的一个优势是它们的价电子在电子基态中配对，所以没有超精细相互作用。相反，在其原子核具有非零自旋的碱土原子中，核自旋与自然耦合到电子自旋的环境扰动相隔离。因此，在碱土原子的核自旋态中编码的量子比特，相干时间比超精细量子比特长得多。

5月，位于伯克利的初创公司Atom Computing发表了一篇论文[4]，描述了其第一代量子处理器，这是一种光镊阵列，其中量子比特被编码在锶-87原子的两个核自旋能级中。他们报告了长于20秒的相干时间(T2*)，比碱超精细量子比特的典型值大了三个数量级以上。

同月，普林斯顿大学Jeff Thompson和科罗拉多大学博尔德分校Adam Kaufman领导的小组报告说[5]，他们已经在镱-171原子阵列中实现了对长寿命核自旋量子比特的控制。

值得注意的是，镱-171的核自旋结构比任何其他碱土类原子的稳定同位素都要简单。这是一个自然的两能级系统，而锶-87的10个不同的核自旋状态需要额外的激光来挑选出可以编码量子比特的两个能级。

碱土类原子丰富的电子能级结构可能在其他方面对量子计算有用。Thompson表示，如果把每个原子种类比作一把带有特定工具的瑞士军刀，那么碱土原子就是具有额外功能的豪华模型。“我们想出了在这把瑞士军刀上使用其他小工具的方法，买它时甚至不知道，”他指的是一种提高纠缠保真度的技术和一种新的量子纠错协议，这两种技术都依赖于碱土原子的长寿命亚稳态特性，而在碱原子中没有对应的东西。

这种与众不同的亚稳态有很长的寿命：通常几十秒，在某些原子中甚至更长。这是因为衰变到基态只能通过强烈抑制的高阶过程进行。一个在亚稳态和基态的叠加中制备的原子，将以与在两种状态之间的跃迁中发射的光子相同的频率长时间振荡，这称为时钟跃迁，因为它为世界上最好的原子钟提供了频率基准。

这些时钟被称为光学时钟，因为锶、镱和铝等广泛使用的原子的时钟跃迁频率落在电磁波谱的可见部分或其附近。这些时钟主要属于两个不同的类别，它们的主要区别在于原子是如何被捕获的。为中性原子量子处理器开发的光镊阵列已成为第三种光学时钟架构，有可能结合更成熟平台的一些优势。

在科罗拉多JILA的一个光学晶格钟中，锶原子的大系综被困在激光驻波模式中，从而能够进行非常精确的频率测量。未来的光镊阵列光学时钟可以将晶格时钟的精度与其他最先进的光学时钟的精度相结合。图片来源：JILA

这两种主要的光时钟架构具有互补的优势和劣势。最精确的时钟使用电场来捕获单个铝离子，这些铝离子与其环境隔离得非常好，但它们需要很长的平均时间来实现高精度。而最精确的光学晶格时钟，使用激光来捕获中性锶原子，但代替光镊阵列中使用的紧密聚焦光束，它们使用由两个反向传播的光束干涉形成的周期势来捕获多达10万个原子。如此庞大的系综使晶格时钟可以快速累积精确度，但系统效应（如在同一晶格位置捕获的原子之间的残余相互作用）限制了它们的精度。

光镊阵列光学时钟可以帮助研究人员获得两个方面的最佳效果，一是精确的单粒子控制可以与离子时钟相媲美，二是为扩展到大系综提供更清晰的路径。并且可以更清晰地放大到大型集合。Adam Kaufman与加州理工学院的Manuel Endres的独立工作同时开发了第一代光镊时钟，他在2020年发表了一篇论文[6]，描述了第二代镊子时钟，其精度接近当时的晶格时钟记录。在未来，通过使用量子信息协议产生多粒子纠缠态，光镊时钟的精度可能会进一步提高，Kaufman称之为“量子科学的前沿方向”

过去五年来，中性原子光镊阵列在量子科学方面的快速进展表明，这些努力可能会产生更多意想不到的优势。Thompson说：“这让我对我们在整个量子技术领域能做些什么产生了新的乐观情绪。”

参考文献：

[1]https://physicstoday.scitation.org/do/10.1063/PT.6.1.20220824a/full/

[2]https://www.nature.com/articles/s41586-022-04592-6

[3]https://www.nature.com/articles/s41586-022-04603-6

[4]https://www.nature.com/articles/s41467-022-29977-z

[5]https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.12.021028

[6]https://www.nature.com/articles/s41586-020-3009-y

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