近日，中科院精密測(cè)量研究院詹明生團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了二維的異核單原子陣列，原子陣列的填充效率達(dá)到88%以上，為基于異核單原子陣列的量子計(jì)算、量子模擬和超冷分子陣列的研究開辟了新的途徑。

前述研究成果近期發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)，并作為重要研究成果入選為編輯推薦論文和物理特色論文。同時(shí)，美國物理學(xué)會(huì)網(wǎng)刊發(fā)文“由兩種類型的原子組成的量子計(jì)算陣列(Quantum Computing Arrays Made of Two Types of Atom)”對(duì)這一研究成果進(jìn)行評(píng)述。

圖片來自《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)

在量子計(jì)算和量子模擬的研究中，當(dāng)量子位（Qubit，也可譯作量子比特）的數(shù)量擴(kuò)展后，同核體系在量子邏輯門操作，以及量子位的初始化和狀態(tài)讀出時(shí)，存在明顯的串?dāng)_問題。

避免串?dāng)_的一個(gè)途徑，是利用異種原子共振頻率的差異，從而建立光譜隔離的異種原子量子位體系，即異核原子體系。該體系可用于執(zhí)行量子計(jì)算中不同的任務(wù)：比如，一種原子量子位作為糾錯(cuò)碼中的校驗(yàn)子，另一種原子作為數(shù)據(jù)量子位，如此可以有效地執(zhí)行糾錯(cuò)并避免串?dāng)_。前述體系也可用于量子模擬，因?yàn)轭~外的操控自由度為多組分、多自旋體系的模擬提供了條件。

相比同核體系，異核原子體系在量子模擬、量子計(jì)算和量子精密測(cè)量等領(lǐng)域有更加廣闊的應(yīng)用前景。此外，異種原子陣列體系的建立，也是實(shí)現(xiàn)極性單分子陣列合成的必要途徑。但該體系建立的難點(diǎn)在于異核單原子的裝載和重排中對(duì)錯(cuò)位原子的處理。因此，無缺陷的異核原子陣列在國際上尚未見報(bào)道過。

此次，詹明生研究團(tuán)隊(duì)在研究員何曉東、許鵬攻關(guān)下，通過精確調(diào)控激光的失諧和功率解決了兩種原子均勻裝載的問題，并發(fā)展了集團(tuán)啟發(fā)算法結(jié)合優(yōu)先級(jí)標(biāo)定的算法，有效地排列了錯(cuò)位的原子，實(shí)現(xiàn)了15個(gè)87Rb加15個(gè)85Rb（Rb為化學(xué)元素銣）的異核單原子陣列。團(tuán)隊(duì)演示了該算法對(duì)不同二維原子陣列排列的有效性，展示了棋盤型、晶格交叉型、斑馬線型等多種構(gòu)型原子陣列。

圖片來自中科院精密測(cè)量研究院

至此，結(jié)合在異核原子量子糾纏、魔幻光阱異核原子均衡相干時(shí)間，以及異核原子相干形成單分子等方面的前期工作，中科院精密測(cè)量研究院詹明生團(tuán)隊(duì)成功創(chuàng)建了獨(dú)具特色的雙組份單原子陣列平臺(tái)，未來有望在基于該多體量子平臺(tái)的量子計(jì)算、量子模擬、單分子陣列、精密測(cè)量、多體物理等多方面研究中取得突出進(jìn)展。

特別研究助理盛誠為論文第一作者，鄭州大學(xué)博士后郭瑞軍參與該項(xiàng)研究。研究得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金委、中科院先導(dǎo)專項(xiàng)和中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)項(xiàng)目的資助。