武漢物數所實現原子量子態的最高精度操控

　　近日，中國科學院武漢物理與數學研究所研究員詹明生領導的團隊在基于中性原子的量子信息處理的基礎研究中取得新進展。該團隊率先利用魔幻光強技術構造高品質的中性原子量子寄存器，并在該新型量子寄存器中實現了保真度高于99.99%的全局單量子比特門。該操控精度超過了公認的容錯量子計算所要求的量子門的操控精度的閾值。該實驗研究成果近日發表在《物理評論快報》上。

　　中性原子體系作為量子計算的候選體系之一，與超導、半導體等候選體系相比具有良好的可擴展性、較長的相干時間、可控的原子間相互作用等優勢。在此前的實驗研究中，國際上眾多研究組均采用會對原子產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，這些研究組對寄存器中單比特量子全局邏輯門操作的錯誤率通常在10-3量級，未曾達到量子糾錯的容錯閾值（1X10-4）。該問題成為基于中性原子搭建實用型量子計算機的三大障礙之一。

　　在武漢物數所副研究員何曉東和許鵬帶領下，博士生盛誠等人在此前該團隊創立的單原子魔幻光強偶極阱（MI-ODT）工作（Phys.Rev.Lett. 117, 123201 (2016)）的基礎上，利用該技術成功實現了一個4x4的新型魔幻光強偶極阱陣列。進而在對該陣列的16個量子比特的逐個單比特邏輯門操控中，實現了平均錯誤率僅為（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的區間內，優于1X10-4。這個結果歸功于魔幻光強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。

　　該研究成果是該團隊發展的魔幻光強原子囚禁與量子態精密操控技術在高保真全局單量子門的成功應用，突顯了該原創技術在中性原子量子計算研究的價值，為下一步構造可擴展的中性原子量子信息處理奠定了基礎。

　　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。