前沿进展 | 制备二维无缺陷异核单原子阵列

“前沿进展”栏目，旨在介绍科研人员在光学领域发表的具有重要学术、应用价值的论文，促进研究成果的传播。部分论文将推荐参与“中国光学十大进展”评选。

01 导读

近日，中国科学院精密测量科学与技术创新研究院的詹明生研究员团队在国际上首次实现了任意几何结构二维双组分原子阵列的确定性制备。该成果2022年2月24日以“Defect-Free Arbitrary-Geometry Assembly of Mixed-Species Atom Arrays”为题发表于Physical Review Letters。

2022 | 前沿进展

02 研究背景

近年来在光镊中制备的单原子阵列作为理想的量子实验平台广泛应用于模拟量子体系中的多体问题，以及试图用于制造量子计算机。这得益于该体系具有良好的相干性、可扩展性、以及可调控的相互作用。制备任意几何结构、高填充率的原子阵列则是开展相关工作的前提。

国际上已经有研究组制备了无缺损的单一种类的原子阵列，并以此为基础开展了一系列量子模拟和量子计算的前沿研究。而双组分的原子阵列则可提供更多的可控自由度，可以用来模拟更复杂的量子多体问题，以及无串扰地编码高保真度的容错量子逻辑比特。但是双组分原子阵列的制备在国际上仍然是一个挑战。

03 研究创新点

詹明生团队在二维的光偶极阱阵列中装载了原子数目比例可控的⁸⁷Rb和⁸⁵Rb原子，之后使用可移动的光镊对随机分布的两种原子进行重新排列。该团队提出并运用的启发性异核算法（HHA）为可移动光镊做了最优的转移路径设计。经过重新排列后的原子阵列可以是任意构型，如图1（e）中的棋盘结构、斑马条纹结构、嵌入式晶格结构等。

图1.（a）实验装置；（b）探测到⁸⁷Rb和⁸⁵Rb原子的荧光；（c）原子数目比例可控的装载；（d）实验时序图；（e）重新排列后的双组分原子阵列

最终得到⁸⁷Rb（⁸⁵Rb）填充率为0.89（0.88）的原子阵列，原子数目约为30，系统的结构熵降低到重排前的1/5。目前的填充率主要受限于阵列中原子的保存效率。这种实验方法也可以应用到制备数目约为100的双组分原子阵列。

图2（a）⁸⁷Rb和⁸⁵Rb原子的填充率（b）系统结构熵的减小

04 总结与展望

双组分原子阵列是一种全新的多自由度可控的量子体系，结合该团队前期演示魔幻光阱、异核量子纠缠、长相干时间的异核量子比特、异核原子相干合成分子等工作，该团队已经成功创建了具有特色的双组分单原子平台。未来有望基于这些研究，在量子计算、量子模拟、量子精密测量、超冷分子与超冷化学等方向取得进一步突破。中国科学院精密测量科学与技术创新研究院的博士后盛诚为该论文的第一作者，团队成员何晓东研究员、许鹏研究员为通讯作者。该研究得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金委、中科院先导专项和中科院青年创新促进会项目的资助。

论文链接：
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.083202

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编辑 | 方紫璇

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