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创纪录的里程碑！光镊阵列捕获逾6,000中性原子，量子计算再达新高

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发布时间：2024-04-15
 

 

 

论文链接：
https://arxiv.org/abs/2403.12021
 
2024年3月18日，研究人员成功开发出一种大规模光镊阵列，能够在12,000个位点上捕获超过6,100个中性原子，同时在几个关键性能指标上达到新的高度：
 
1）相干时间达到12.6秒，为光镊阵列中的hyperfine量子比特设置了新记录；
 
2）在室温设备中的捕获寿命接近23分钟，创下了新的记录；
 
3）成像存活率为99.98952%，成像保真度超过99.99%。
 
这些研究成果以及其他最新进展显示，拥有数万个原子量子比特的通用量子计算在不远的将来有望实现。此外，这些工作还为具有类似规模的固有单粒子读出和定位能力的量子模拟和量子计量实验铺平了道路。
 
 
由于中性原子不带电荷，它们难以被直接捕获。这些原子被放置在强激光光场中，倾向于聚集在光的最亮区域。中性原子的纠缠通过激发至里德堡态来实现，这种高能态使得原子能与周围其他原子进行纠缠。使用激光可以为原子提供能量，并已证实可以实现几微米距离内的原子间纠缠。这种程度的相互作用可以轻松地通过光学激光器完成。
 

光镊的简化示意图。在简化设置中，激光入射光的中心比边缘亮，就像高斯分布一样。当光线与珠子或液滴发生相互作用时，光线会根据反射和折射定律发生弯曲。所有这些光线所产生的力矢量可分为两部分：散射力和梯度力，前者是由指向入射光方向（z轴）的辐射压力所产生的，后者是由光源强度分布的梯度将粒子拉向强度更高的区域所产生的。梯度力是一种将粒子拉向中心的恢复力。如果折射光线的散射力大于反射光线的散射力，那么沿Z轴也会产生一个恢复力，从而产生一个稳定的陷阱
 
近几年，光镊阵列对原子和分子物理学的研究产生了革命性影响，已经成为量子计算、模拟和计量学等领域中各种前沿实验的基石。
 
这一技术的成功基于其固有的单粒子控制和检测的简便性。典型实验可捕获数十至数百个原子量子比特。最近的研究表明，中性原子具有较长的相干时间（长达40秒），Atom Computing公司甚至在未明确定义量子比特或展示相干控制的情况下，已成功实现约一千个原子的系统。
 
2023年12月，该领域的三位主要研究人员Markus Greiner（哈佛大学）、Vladan Vuletic（麻省理工学院）和Mikhail Lukin（哈佛大学，他在2020年的论文中首次提出将中性原子用作量子比特）在《自然》杂志上发表了一篇论文。
 
他们描述了一个复杂的量子处理器，由几个不同功能区组成。每个量子比特作为单独项目保存在存储器中，并以每组20个量子比特形成逻辑量子比特。纠缠区用于量子比特的并行编码和门操作，读出区则负责测量量子比特。论文指出，此技术和所得结果能够使得该系统扩展至10,000个量子比特。《哈佛公报》认为，这是首个逻辑量子处理器，对实现可扩展的量子设备至关重要。
 
然而，将系统扩展到拥有长相干时间、低损耗和高保真成像的数千个原子量子比特仍是一个巨大挑战，对量子计算、模拟和计量学领域的进步，尤其是量子纠错应用的进步至关重要。
 
 
最近，加州理工学院的科学家们通过实验成功开发了一种能够在约12,000个位点上捕获6,100多个中性原子的光镊阵列，标志着重要的里程碑。
 
研究团队报告称，该阵列中的超频量子比特的相干时间达到了12.6秒，刷新了此类设备的记录。此外，他们还在室温条件下实现了近23分钟的捕获寿命，成像存活率高达99.98952%，成像保真度超过99.99%。
 
这些成果尤其令人关注，因为它们表明量子计算平台已经克服了过去限制其可扩展性的一大障碍。研究小组指出，这些进展至少表明，在不久的将来使用数万个原子量子比特进行通用量子计算是可行的。
 
研究人员在论文中写道：“最终，我们的研究显示，通过现有技术进一步将光镊阵列平台扩展到数万个捕获原子是可行的，同时能够基本保持高保真度控制。”
 

大型镊子阵列。a）在12000个光镊阵列上的单个铯原子的代表性单镜头图像；b）在一个12000个镊子阵列上的单个原子的平均图像
 

大规模镊子阵列中的高保真原子探测
 

真空极限寿命长，成像存活概率高
 
大型原子阵列中的长相干时间和高保真单量子比特门
 
 
通过利用光镊阵列固有的单粒子读出和定位能力，这项成功的实验有望对量子模拟和计量学领域产生深远影响。
 
该团队包括加州理工学院的Hannah J. Manetsch、Gyohei Nomura、Elie Bataille、Kon H. Leung、吕旭东（第一排右二）和Manuel Endres
 
尽管如此，研究团队也承认，他们面前仍有许多工作需要完成，一些领域仍需进一步探索和开发。例如，尽管此次实验展示了卓越的可扩展性和性能指标，但它未涵盖原子的重新排列或原子量子比特的纠缠，而这两者对于实际计算任务至关重要。
 
在光镊阵列中，动态地重新排列原子对于执行复杂算法和实施纠错是必不可少的。
 
目前，研究人员面临的一个技术限制是空间光调制器（SLM）像素数量有限以及在高入射激光功率下衍射效率的降低，这限制了捕获点的数量。未来的改进可能包括采用分辨率更高的空间光调制器和更高效地利用功率及视场的技术。此外，物镜的热加热引起的光学畸变也需要采取缓解措施，这对进一步的技术扩展至关重要。
 
尽管面临这些挑战，研究团队对利用现有和未来的技术进步克服这些障碍持乐观态度。他们预计，通过进一步提高控制的保真度，未来将实现数万个原子的高精度捕获。

 

 
这一成果在学术界和工业界获得了高度评价
 
这项研究是量子计算领域的一个重要里程碑，展现了光镊阵列在维持或提升性能指标的同时，大幅扩展量子比特数量的潜力。随着研究人员克服这些局限性，利用原子量子比特实现实用和通用量子计算的前景日益明朗，预示着计算能力的新纪元即将来临。
 
参考链接：
[1]https://www.theqrl.org/weekly/2024-march-19/
[2]https://seekingalpha.com/article/4682647-ionq-dont-buy-the-wrong-qubit-technology
[3]https://thequantuminsider.com/2024/03/20/making-it-look-tweezy-caltech-researchers-use-optical-tweezer-arrays-to-trap-over-6100-neutral-atoms/
[4]https://twitter.com/BTQ_Tech/status/1772307962888868349
[5]https://www.endreslab.com/

[6]https://mp.weixin.qq.com/s/mpzt57atud9SXW9kepTdoA

 

 

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