達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)研究人員實現(xiàn)多達(dá)111個單原子量子系統(tǒng)多用途目標(biāo)模式的無缺陷組裝。其研究成果發(fā)表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)上，該發(fā)現(xiàn)可能會推動組裝原子架構(gòu)超越量子優(yōu)勢的門檻，為量子科學(xué)和技術(shù)的新突破鋪平道路。

開展這項研究的研究人員之一Gerhard Birkl：研究是基于這樣一種觀察，即物理科學(xué)正處于一個范式轉(zhuǎn)變的過程中。

量子物理的應(yīng)用，即量子技術(shù)，將在不久的將來成為主導(dǎo)技術(shù)。大量的應(yīng)用程序已經(jīng)可以預(yù)見，但相信，大多數(shù)應(yīng)用程序我們甚至還沒有意識到。量子科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域的下一步是開發(fā)實驗平臺，提供廣泛的可擴展性、多站點量子關(guān)聯(lián)和有效的量子誤差校正。在過去的一個世紀(jì)左右，研究人員對單個量子系統(tǒng)進(jìn)行了大量研究，為當(dāng)前的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。原子量子系統(tǒng)在這些研究中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，特別是被光捕獲的中性原子，因為它們提供了具有良好尺度的良好隔離的量子系統(tǒng)。

對于未來幾代量子技術(shù)，轉(zhuǎn)向多個量子系統(tǒng)，即擴大系統(tǒng)規(guī)模是關(guān)鍵。出于這個原因，需要開發(fā)一個新的平臺，為原子量子系統(tǒng)提供高度可伸縮的架構(gòu)，完全控制所有相關(guān)參數(shù)，以推進(jìn)最先進(jìn)的量子技術(shù)。在為實驗開發(fā)技術(shù)基礎(chǔ)時，Birkl和學(xué)生們參與了這項研究，重點放在激光冷卻的中性原子上，利用光學(xué)陷阱，這得益于過去25年的科學(xué)突破。這些突破包括激光冷卻和俘獲、玻色-愛因斯坦凝聚、單個量子系統(tǒng)的操作以及光鑷。最終意識到，將這些科學(xué)發(fā)展與先進(jìn)的光學(xué)技術(shù)相結(jié)合。

例如微透鏡陣列的微加工，為可擴展量子技術(shù)的發(fā)展提供了一個理想平臺。研究核心是應(yīng)用一種新穎的實驗架構(gòu)，在這種架構(gòu)中，基于二維微透鏡陣列，為中性原子生成二維光學(xué)陷阱圖案。利用一束可以照亮許多透鏡的大激光束，研究人員能夠同時產(chǎn)生幾個激光陷阱。同時產(chǎn)生了多達(dá)400個這樣的陷阱，然后能夠單獨解決它們。實驗有幾個步驟，首先利用磁光阱(MOT)在室溫真空系統(tǒng)中制造了一團(tuán)銣原子云。這使得它們能夠在大約100微開爾文的溫度下產(chǎn)生幾百萬個銣原子。

隨后打開激光陷阱的模式，將原子轉(zhuǎn)移到這些陷阱中，每個陷阱最多有一個原子。生成模式是由只有一個或零原子陷阱位點組成。接下來，拍攝了這一模式的圖像，能夠識別被占領(lǐng)的區(qū)域(不需要進(jìn)一步行動)和空區(qū)域。一旦確定了哪些區(qū)域被占用，哪些區(qū)域是空的，研究人員就把所有區(qū)域地填滿；從目標(biāo)模式外已填充的位置中取出單個原子，并將其傳輸?shù)侥繕?biāo)模式中的空區(qū)域。這個傳輸過程是通過一個單一的聚焦激光束進(jìn)行，它可以在整個阱陣列的二維中移動，這就像光鑷一樣工作，因此它們被稱為‘光鑷’。

‘光鑷’是阿瑟·阿什金博士的發(fā)明，他因為這項發(fā)明獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。在將鑷子應(yīng)用于所有的空區(qū)域后，研究人員獲取另一張原子分布的圖像，并確定生成無缺陷原子模式的過程是否成功。如果仍然有空位置，將再次重復(fù)組裝過程?？梢栽谝淮螌嶒炦\行中做到80次以上，這也是該研究團(tuán)隊成功生成具有高概率的大型無缺陷模式的另一個原因。在研究中，研究人員在一個19x19的正方形網(wǎng)格中放置了大量陷阱(361個)，這些陷阱對應(yīng)著大量的單個原子(大約200個)，這使得它們可以多次重復(fù)組裝過程。

所有這些因素最終幫助他們打破了之前單原子量子系統(tǒng)組裝的記錄。物理系統(tǒng)的可擴展性對該領(lǐng)域進(jìn)一步發(fā)展至關(guān)重要，研究人員能夠顯著提高基于中性原子系統(tǒng)模式大小和成功幾率。之前沒有相關(guān)的實驗證明超過72個量子位元，更不用說超過100個，甚至111個。該平臺有明確的前景，可擴展性甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過這個數(shù)字。量子霸權(quán)通常需要超過50個量子位元，但到目前為止，只有少數(shù)量子技術(shù)實驗?zāi)軌虺^這個閾值。在實驗中，研究人員總共達(dá)到了111個量子位元，并且清楚地知道如何進(jìn)一步超過這個數(shù)字。

這證明了該實驗平臺的可擴展性，此外可以以高成功率進(jìn)入量子至上的狀態(tài)，因為證明了8x8 = 64位元模式的成功率超過60%。每次實驗運行時間為1秒，這就為每兩秒在量子至上體制下的量子處理提供了一個新的無缺陷配置。這項研究可能對量子技術(shù)研究的幾個子領(lǐng)域具有重要的意義，包括量子模擬和量子計算。研究人員現(xiàn)在正計劃將他們的平臺擴大到1000個量子系統(tǒng)，同時增加啟動原子間雙量子位量子門的能力，以構(gòu)建基于里德伯格相互作用的二維量子處理器。通過這種方式，也希望利用實驗平臺實現(xiàn)大規(guī)模的量子計算和量子模擬。

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參考期刊《物理評論快報》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.203601

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