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記者從中國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院獲悉，該院詹明生、許鵬團(tuán)隊(duì)在中性原子量子計(jì)算領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性提出并在實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證了一種基于光纖陣列的原子量子計(jì)算新架構(gòu)，解決了原子量子計(jì)算難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高并行、高速率和高穩(wěn)定性尋址操控的難題。相關(guān)成果發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。

研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人研究員許鵬介紹道，在原型系統(tǒng)中，團(tuán)隊(duì)在光纖陣列形成的光阱里穩(wěn)定囚禁了10個(gè)單原子，首次在二維原子陣列中展示了高保真的“任意單比特門”并行操控，并清晰觀測到兩原子的里德堡阻塞效應(yīng)——這是實(shí)現(xiàn)高保真兩比特門的關(guān)鍵物理基礎(chǔ)。“該架構(gòu)可以通過復(fù)制通道來擴(kuò)大規(guī)模，并且兼容集成光子芯片，為邁向大規(guī)模中性原子量子計(jì)算提供了新的路徑。”許鵬說。

中性單原子陣列因具備可擴(kuò)展、高保真門操作、長相干時(shí)間及連接可重構(gòu)性等特點(diǎn)，被視為最有潛力邁向大規(guī)模、容錯(cuò)量子計(jì)算的平臺之一。然而，如何實(shí)現(xiàn)高效且精準(zhǔn)的單原子操控，一直是該體系邁向?qū)嵱没淖畲筇魬?zhàn)之一。

許鵬介紹道，“一個(gè)原子就是一個(gè)量子比特，只有0.1納米大小，要用激光精準(zhǔn)操作它非常難。現(xiàn)有的主流尋址方法大致有兩類，即激光找原子和原子找激光。簡單理解，前者是用同一束光來接連操作不同原子，速度快但效率低，后者是讓需要同樣操作的原子進(jìn)入一束大的激光照射區(qū)域，精度高但速度慢。如何在保證高精度的同時(shí)提升并行操控效率，這是中性原子量子計(jì)算走向規(guī)模化必須攻克的核心技術(shù)瓶頸。”

面對這一難題，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出一種基于光纖陣列的原子量子計(jì)算架構(gòu)新方案。方案為每個(gè)量子比特分配獨(dú)立光纖控制通道，使系統(tǒng)能夠同步、高速、精準(zhǔn)地操控任意原子，在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了“既快又準(zhǔn)”的原子尋址技術(shù)突破。

許鵬強(qiáng)調(diào)，在NISQ（含噪聲的中等規(guī)模量子）時(shí)代，單原子操控的效率與精度直接決定了量子計(jì)算的實(shí)用化進(jìn)程。此前，國內(nèi)外科研團(tuán)隊(duì)雖已在大規(guī)模原子陣列系統(tǒng)取得進(jìn)展，但尋址技術(shù)的局限性始終制約性能提升。“我們的架構(gòu)通過光纖并行化設(shè)計(jì)，徹底解決了高精度與高效率不可兼得的矛盾，為中性原子量子計(jì)算邁入下一代規(guī)模化應(yīng)用提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。”他說。

與正文一道發(fā)表的匿名審稿人評審意見高度評價(jià)：這是一項(xiàng)出色的工作，為構(gòu)建中性原子量子計(jì)算機(jī)提供了新途徑，該研究對量子計(jì)算領(lǐng)域具有重要而直接的貢獻(xiàn)，同時(shí)也將對量子模擬、光—物質(zhì)相互作用以及量子信息科學(xué)的研究產(chǎn)生廣泛影響。

該研究工作獲得科技部、國家自然科學(xué)基金委員會、中國科學(xué)院以及湖北省科技廳等部門的支持。