达姆施塔特工业大学研究人员实现多达111个单原子量子系统多用途目标模式的无缺陷组装。其研究成果发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上，该发现可能会推动组装原子架构超越量子优势的门槛，为量子科学和技术的新突破铺平道路。开展这项研究的研究人员之一Gerhard Birkl：研究是基于这样一种观察，即物理科学正处于一个范式转变的过程中。
量子物理的应用，即量子技术，将在不久的将来成为主导技术。大量的应用程序已经可以预见，但相信，大多数应用程序我们甚至还没有意识到。量子科学与技术领域的下一步是开发实验平台，提供广泛的可扩展性、多站点量子关联和有效的量子误差校正。在过去的一个世纪左右，研究人员对单个量子系统进行了大量研究，为当前的发展奠定了基础。原子量子系统在这些研究中发挥了关键作用，特别是被光捕获的中性原子，因为它们提供了具有良好尺度的良好隔离的量子系统。
（博科园图示）原子模式组装：通过单原子传输，将具有缺陷的初始原子分布转移到无缺陷的100个原子目标簇中。图片：Gerhard Birkl
对于未来几代量子技术，转向多个量子系统，即扩大系统规模是关键。出于这个原因，需要开发一个新的平台，为原子量子系统提供高度可伸缩的架构，完全控制所有相关参数，以推进最先进的量子技术。
在为实验开发技术基础时，Birkl和学生们参与了这项研究，重点放在激光冷却的中性原子上，利用光学陷阱，这得益于过去25年的科学突破。这些突破包括激光冷却和俘获、玻色-爱因斯坦凝聚、单个量子系统的操作以及光镊。最终意识到，将这些科学发展与先进的光学技术相结合。
例如微透镜阵列的微加工，为可扩展量子技术的发展提供了一个理想平台。研究核心是应用一种新颖的实验架构，在这种架构中，基于二维微透镜阵列，为中性原子生成二维光学陷阱图案。利用一束可以照亮许多透镜的大激光束，研究人员能够同时产生几个激光陷阱。同时产生了多达400个这样的陷阱，然后能够单独解决它们。实验有几个步骤，首先利用磁光阱(MOT)在室温真空系统中制造了一团铷原子云。这使得它们能够在大约100微开尔文的温度下产生几百万个铷原子。
（博科园图示）铷原子在无缺陷二维靶图形中排列实验装置的中心部分，蓝色激光用于启动相干量子操作。图片：Gerhard Birkl
随后打开激光陷阱的模式，将原子转移到这些陷阱中，每个陷阱最多有一个原子。生成模式是由只有一个或零原子陷阱位点组成。接下来，拍摄了这一模式的图像，能够识别被占领的区域(不需要进一步行动)和空区域。一旦确定了哪些区域被占用，哪些区域是空的，研究人员就把所有区域地填满；从目标模式外已填充的位置中取出单个原子，并将其传输到目标模式中的空区域。这个传输过程是通过一个单一的聚焦激光束进行，它可以在整个阱阵列的二维中移动，这就像光镊一样工作，因此它们被称为‘光镊’。
‘光镊’是阿瑟·阿什金博士的发明，他因为这项发明获得了诺贝尔物理学奖。在将镊子应用于所有的空区域后，研究人员获取另一张原子分布的图像，并确定生成无缺陷原子模式的过程是否成功。如果仍然有空位置，将再次重复组装过程。可以在一次实验运行中做到80次以上，这也是该研究团队成功生成具有高概率的大型无缺陷模式的另一个原因。在研究中，研究人员在一个19x19的正方形网格中放置了大量陷阱(361个)，这些陷阱对应着大量的单个原子(大约200个)，这使得它们可以多次重复组装过程。
所有这些因素最终帮助他们打破了之前单原子量子系统组装的记录。物理系统的可扩展性对该领域进一步发展至关重要，研究人员能够显著提高基于中性原子系统模式大小和成功几率。之前没有相关的实验证明超过72个量子位元，更不用说超过100个，甚至111个。
该平台有明确的前景，可扩展性甚至远远超过这个数字。量子霸权通常需要超过50个量子位元，但到目前为止，只有少数量子技术实验能够超过这个阈值。在实验中，研究人员总共达到了111个量子位元，并且清楚地知道如何进一步超过这个数字。这证明了该实验平台的可扩展性，此外可以以高成功率进入量子至上的状态，因为证明了8x8 = 64位元模式的成功率超过60%。
每次实验运行时间为1秒，这就为每两秒在量子至上体制下的量子处理提供了一个新的无缺陷配置。这项研究可能对量子技术研究的几个子领域具有重要的意义，包括量子模拟和量子计算。研究人员现在正计划将他们的平台扩大到1000个量子系统，同时增加启动原子间双量子位量子门的能力，以构建基于里德伯格相互作用的二维量子处理器。通过这种方式，也希望利用实验平台实现大规模的量子计算和量子模拟。
博科园｜Copyright Science X Network/Ingrid Fadelli,Phys
参考期刊《物理评论快报》
DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.203601
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