中科院首次实现二维异核单原子阵列，可应用于量子计算与模拟

近日，中科院精密测量研究院詹明生团队实现了二维的异核单原子阵列，原子阵列的填充效率达到88%以上，为基于异核单原子阵列的量子计算、量子模拟和超冷分子阵列的研究开辟了新的途径。

前述研究成果近期发表于《物理评论快报》(Physical Review Letters)，并作为重要研究成果入选为编辑推荐论文和物理特色论文。同时，美国物理学会网刊发文“由两种类型的原子组成的量子计算阵列(Quantum Computing Arrays Made of Two Types of Atom)”对这一研究成果进行评述。

图片来自《物理评论快报》(Physical Review Letters)

在量子计算和量子模拟的研究中，当量子位（Qubit，也可译作量子比特）的数量扩展后，同核体系在量子逻辑门操作，以及量子位的初始化和状态读出时，存在明显的串扰问题。

避免串扰的一个途径，是利用异种原子共振频率的差异，从而建立光谱隔离的异种原子量子位体系，即异核原子体系。该体系可用于执行量子计算中不同的任务：比如，一种原子量子位作为纠错码中的校验子，另一种原子作为数据量子位，如此可以有效地执行纠错并避免串扰。前述体系也可用于量子模拟，因为额外的操控自由度为多组分、多自旋体系的模拟提供了条件。

相比同核体系，异核原子体系在量子模拟、量子计算和量子精密测量等领域有更加广阔的应用前景。此外，异种原子阵列体系的建立，也是实现极性单分子阵列合成的必要途径。但该体系建立的难点在于异核单原子的装载和重排中对错位原子的处理。因此，无缺陷的异核原子阵列在国际上尚未见报道过。

此次，詹明生研究团队在研究员何晓东、许鹏攻关下，通过精确调控激光的失谐和功率解决了两种原子均匀装载的问题，并发展了集团启发算法结合优先级标定的算法，有效地排列了错位的原子，实现了15个87Rb加15个85Rb（Rb为化学元素铷）的异核单原子阵列。团队演示了该算法对不同二维原子阵列排列的有效性，展示了棋盘型、晶格交叉型、斑马线型等多种构型原子阵列。

图片来自中科院精密测量研究院

至此，结合在异核原子量子纠缠、魔幻光阱异核原子均衡相干时间，以及异核原子相干形成单分子等方面的前期工作，中科院精密测量研究院詹明生团队成功创建了独具特色的双组份单原子阵列平台，未来有望在基于该多体量子平台的量子计算、量子模拟、单分子阵列、精密测量、多体物理等多方面研究中取得突出进展。

特别研究助理盛诚为论文第一作者，郑州大学博士后郭瑞军参与该项研究。研究得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金委、中科院先导专项和中科院青年创新促进会项目的资助。