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QC观察丨用于量子计算机的工程原子阵列

QC观察丨用于量子计算机的工程原子阵列
3D阵列中单个原子的荧光

法国国家科学研究院和法国巴黎萨克莱大学光学研究所研究生院的研究人员使用激光技术将冷原子逐个重新排列成完全有序的3D图案。阵列中包含多达72个中性原子,可以用来模拟物理学中的量子复合体多体系统。

传统计算机将信息存储和处理为“位”——“位”可以具有“0”或“1”两种状态之一,而量子计算机利用量子粒子可同时处于两个或多个状态“叠加”的能力。原则上,这种装置可以胜过传统计算机,用于解决一些先进的计算问题,例如分解大数量或模拟许多基本粒子之间的相互作用。

近年来,研究人员一直在尝试采用多种量子方法和技术,如超导量子比特和被捕获的离子,来构建真实世界的量子计算机,并在这一领域取得了很大进展。由Charles Fabry实验室的Antoine Browaeys领导的团队现在报道了一种基于被困中性原子的新技术

中性原子被证明有望用于量子计算,因为由它们制成的量子比特与周围的环境噪声非常好地隔离,因此它们的编码状态保持完整。它们也可以使用光学陷阱(或光学镊子)进行精细控制,并可扩展到大量量子比特。光学镊子通过捕获激光束焦点附近的微小物体来工作,该技术允许这些物体被拾取并仅使用轻微的力量移动到另一个地方。

需要受控制的交互

  • 量子计算操作需要原子之间受控的相互作用,因此,基于中性原子量子比特的计算机首先需要以特定模式精确排列。然而,到目前为止,这种模式已经证明是难以制造的——特别是使用中性原子量子比特。尽管研究人员成功地将这些原子排列在一维和二维中,但是当量子比特数达到一百时,研究人员需要能够将它们堆叠在3D中,并且制造出在二维中无法实现的结构。
  • 在他们的实验中,Browaeys及其同事利用空间光调制器产生微势阱(microtraps)( 例如排列在双层石墨烯结构或烧绿石晶格中),间隔几微米。“我们最初用冷铷原子随机加载和半填充这些陷阱,”研究主要作者Daniel Barredo解释说,“然后我们使用声光偏转器和电动可调透镜的组合来制造移动光学镊子,这些镊子可以“采摘”并一次一个地将原子从“储存器”陷阱传输到阵列中的空位。
  • 该技术允许研究人员将无序的原子阵列分类为有序阵列,从而以各种不同的模式构建无缺陷的3D量子比特阵列。它还允许他们克服使用超冷原子时遇到的一个主要问题。通常,每个光学陷阱简单地随机加载到阵列中,因此在任何时候只有50%的可能性被原子填充,但对于应用,理想情况下需要无缺陷的满载阵列。这就使得每个陷阱具有100%的概率包含单个原子。
  • Browaeys及其同事通过用光照射系统并使用CCD相机观察铷原子的荧光来测量阵列位置的完全占据(见图)。

有前途的平台

  • 他们并没有就此止步:他们通过激发原子进入所谓的里德伯状态(Rydberg states),成功地在一个阵列中设计了两个单独量子比特之间的相互作用。这些产生原子电偶极子,允许量子比特通过偶极与偶极相互作用相互“感知”。
  • “对于大型物理系统进行量子模拟的中性原子阵列最近已成为一个非常有前景的大型物理系统量子模拟平台。”Barredo说,“事实上,最近的研究表明,中性原子量子比特系统之间的里德伯相互作用可用于执行量子逻辑运算。然而,到目前为止,使用这些系统可以执行的最大量子模拟涉及一维和二维几何中的大约50个量子比特。正如我们在这项工作中所获得的那样,访问第三维不仅可以扩大这些量子比特(在我们的例子中为72个原子),它还为模拟更复杂的真实世界的物理现象和材料开辟了道路。”
  • 研究人员在《自然》重报告了他们的工作,他们表示,他们现在正在寻求使用他们完全可重新配置的独立控制原子3D阵列来研究,例如,“阻挫”在量子系统中的作用,或拓扑如何产生新的物质阶段。“与此同时,我们将努力增加我们最大阵列的尺寸,迄今为止仅限于微势阱中原子的寿命(约10秒)。”Barredo透露。

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