近日，中國科學院精密測量科學與技術創新研究院研究員詹明生團隊在異種原子量子比特的相干操控方面取得新進展。該團隊首先將他們首次實現的魔幻光強偶極阱（MI-ODT）技術[Phys.Rev.Lett.117,123201(2016)]應用於兩種原子並存的異種原子量子比特陣列，並對每一種原子分別實現了秒量級的相干時間。他們進而在MI-ODT中引入激光偏振作為一個新的調控參數，從而在同一組調控參數中達到兩種原子都有較長的相干時間，實現了兩種類型量子比特疊加態的相干時間均衡，並且均提升到約1 秒。該研究結果近日發表在《物理評論快報》上。
光阱陣列中的中性原子體系展現了極好的擴展性，因此在量子模擬和量子計算中有廣闊的應用前景。然而在量子比特的數量擴展以後，難以避免地在量子邏輯操作和量子比特的初始化和狀態讀出時的串擾問題就突出出來了。一個有效避免串擾的可能的途徑是利用異種原子共振頻率的差異來建立異種原子量子比特體系。這樣的體系既可以用於執行量子計算中不同的任務, 如其中的一種原子量子比特作為糾錯碼中的校驗子,另一種原子作為數據量子比特,如此可能有效地執行糾錯並避免串擾；也可以用於量子模擬中,因為額外的操控自由度為多組分多自旋體系的模擬提供了條件。所以異種原子體系在量子模擬、量子計算和量子精密測量等領域都有潛在的廣泛的應用前景。
在通往異種原子量子信息的道路上，該團隊已於2017年在國際上首次演示了異核兩原子間的量子受控非門以及異核兩原子的量子糾纏[Phys.Rev.Lett. 119,160502 (2017)]。從同種體系拓展到異種體系的另外一個關鍵要素是實現相干時間長且均衡的異種原子量子比特的存儲，然而至今異種原子量子比特的相干性差異很大，極大地影響製備出來的異種量子糾纏態的壽命，不利於量子信息處理的執行。
最近，副研究員何曉東與博士生郭瑞軍等人,進一步發展了MI-ODT方法，成功地實現了異種體系兩個3×3交叉排列的偏振協調的魔幻光強偶極阱陣列。異種體系原子魔幻光強囚禁技術依賴於原子的三階交叉項係數和基態超極化率的可調諧性，而基態超極化率本質上取決於囚禁光場的圓偏振度。實驗上，裝載85Rb原子的偶極阱陣列的偏振度被精確地調整到一個確定的值，使其魔幻光強囚禁技術所需的補償磁場等於在另一個完全圓偏振的偶極阱陣列中魔幻光強囚禁87Rb原子量子比特所需的補償磁場。在這種偏振協調的魔幻光強偶極阱陣列中，85Rb和87Rb原子量子比特疊加態的相干時間分別提高到891±47 ms和943±35 ms。相對於原子的單量子比特和雙量子比特邏輯門微秒量級的門操作時間而言，所獲得的秒量級的原子內態相干時間滿足了通用量子計算機判據中量子比特相干性的要求。
該研究結果是該團隊發展的MI-ODT技術在異核體系中的進一步拓展和應用，突顯了該原創技術在中性原子量子計算研究中的價值，為構造可擴展長相干時間的異核原子量子信息處理器又往前邁了關鍵的一步。
該研究得到科技部重點研發計劃、國家自然科學基金委和中科院先導專項的資助。
圖片說明：偏振協調的異種體系魔幻光強偶極阱陣列中87Rb和85Rb原子內態相干時間隨陣列格點位置變化示意圖。(a) 兩個3×3的偶極阱陣列的交叉排列。(b)多量子比特陣列中，87Rb和85Rb原子內態平均相干時間分別為891±43 ms和943±35 ms。每種偶極阱陣列的格點標記為1到9，其中標記為5的格點用於校準魔幻光強阱阱深。以箭頭表示測量相干時間的順序。
來源：中國科學院精密測量科學與技術創新研究院
