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近日，中國(guó)科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所詹明生研究員領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)在基于中性原子的量子信息處理的基礎(chǔ)研究中取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)率先利用魔幻光強(qiáng)技術(shù)構(gòu)造高品質(zhì)的中性原子量子寄存器，并在該新型量子寄存器中實(shí)現(xiàn)了保真度高于99.99%的全局單量子比特門。該操控精度超過(guò)了公認(rèn)的容錯(cuò)量子計(jì)算所要求的量子門的操控精度的閾值。該實(shí)驗(yàn)研究成果近日發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上。

4X4魔幻光強(qiáng)偶極阱陣列示意圖(a)，每個(gè)格點(diǎn)囚禁一個(gè)原子，每個(gè)原子作為一個(gè)量子比特，格點(diǎn)之間相距5.2微米。圖中數(shù)字是標(biāo)記測(cè)量次序，箭頭為標(biāo)定的行進(jìn)方向。圖（b）是相應(yīng)格點(diǎn)的門操作誤差的測(cè)量結(jié)果。

中性原子體系作為量子計(jì)算的候選體系之一，與超導(dǎo)、半導(dǎo)體等候選體系相比具有良好的可擴(kuò)展性、較長(zhǎng)的相干時(shí)間、可控的原子間相互作用等優(yōu)勢(shì)。在此前的實(shí)驗(yàn)研究中，國(guó)際上眾多研究組均采用會(huì)對(duì)原子產(chǎn)生較大的微分光頻移的光偶極阱陣列裝載中性原子用于構(gòu)造量子寄存器。在固有的非均勻展寬的影響下，這些研究組對(duì)寄存器中單比特量子全局邏輯門操作的錯(cuò)誤率通常在10-3量級(jí)，未曾達(dá)到量子糾錯(cuò)的容錯(cuò)閾值（1X10-4）。該問(wèn)題成為基于中性原子搭建實(shí)用型量子計(jì)算機(jī)的三大障礙之一。

在何曉東和許鵬兩位副研究員的帶領(lǐng)下，博士生盛誠(chéng)等人在此前該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)立的單原子魔幻光強(qiáng)偶極阱（MI-ODT）工作（Phys.Rev.Lett. 117, 123201 (2016)）的基礎(chǔ)上，利用該技術(shù)成功地實(shí)現(xiàn)了一個(gè)4x4的新型魔幻光強(qiáng)偶極阱陣列。進(jìn)而在對(duì)該陣列的16個(gè)量子比特的逐個(gè)單比特邏輯門操控中，實(shí)現(xiàn)了平均錯(cuò)誤率僅為（4.7±1.1）x10-5的全局單比特量子邏輯門，并且最大與最小操控誤差都在10-5的區(qū)間內(nèi)，優(yōu)于1X10-4。這個(gè)結(jié)果歸功于魔幻光強(qiáng)偶極阱能抑制量子比特共振頻率的非均勻展寬，從而極大地提升了陣列中量子比特的相干性以及共振頻率的一致性，最終使得微波操控量子比特的精度得到顯著提高。

該研究成果是該團(tuán)隊(duì)發(fā)展的魔幻光強(qiáng)原子囚禁與量子態(tài)精密操控技術(shù)在高保真全局單量子門的成功應(yīng)用，突顯了該原創(chuàng)技術(shù)在中性原子量子計(jì)算研究的價(jià)值，為下一步構(gòu)造可擴(kuò)展的中性原子量子信息處理奠定了基礎(chǔ)。

該研究得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委和中科院先導(dǎo)專項(xiàng)的資助。

附：論文鏈接