二维中性原子阵列中保真度超越容错阈值的单量子比特门的实验实现

Controllable neutral atom arrays is one of the quantum systems which are used for realizing a quantum computer and quantum simulator. Compared with the other quantum systems, neutral atom arrays have the advantage of the good scalability, but have weakness for individual control and readout of single-qubit. Very recently, scalable single-qubit gates with fidelity high up to 99% in a 2D and 3D neutral atom array have been demonstrated by two different research group in succession, but the fidelity is still lower than the fault-tolerances threshold (99.99%). The main limitations not only arise from the dephasing caused by differential light shifts but also arise from spontaneous Raman scattering of addressing beams and inhomogeneous broadening of microwave transition, all of them bring significant operation errors. To date, the scalable single-qubit quantum gates with fidelity beyond 99.99% have not yet been demonstrated. To this end, in our single atoms platform, we plan to use our well established magic intensity technique to greatly suppress the dephasing of atomic qubit, then employ an additional magic intensity addressing light incorporated with highly precise microwave driven global single-qubit gates to realize the scalable addressing with fidelity higher than 99.99%. The achievement of this project will open the way of constructing a scalable neutral atom quantum computer in the future.

可控的中性原子阵列是用于实现量子计算机和量子模拟器的众多候选体系之一。相比于其他体系，中性原子阵列的优势在于其可扩展性，而单比特的独立控制与读出是它的弱势。最近，2个不同的研究组接连在2维和3维原子阵列中演示保真度高于99%的单个原子比特的寻址操作，但保真度与容错阈值（99.99%）还有距离。综合目前2种主要的寻址方案表明单量子门的保真度既受限于单原子比特的退相时间又受限于寻址光的自发拉曼散射以及微波跃迁的非均匀展宽等带来的额外误差。目前还未有实验在中性原子阵列中实现保真度优于99.99%的可扩展的单量子比特寻址与操作。为了达到该目标，我们拟利用已建立的魔幻光强技术有效抑制单量子比特的退相作用，并引入远失谐魔幻光强寻址光结合高精度微波驱动的全局单量子比特门，在二维原子阵列中实现保真度高于99.99%的可扩展的单量子比特门。本项目的研究将为实现可扩展中性原子容错量子计算机打下坚实的基础。

可控的中性原子阵列是用于实现量子计算机和量子模拟器的众多候选体系之一。近年来获得了极大的关注。相比于其他体系，中性原子阵列的优势在于其原子数量的可扩展性，但是在通向通用量子计算的高精度操控性方面存在两大问题，即光频移引发的非均匀展宽以及临近原子量子比特之间的串扰问题。对于光频移问题，大量的研究表明，原子量子比特在囚禁光场中的频移的差别所造成的非均匀展宽是主要的退相因素。该退相因素是限制量子比特相干时间，引发量子比特转移中相干性丢失从而降低比特之间的互联性、以及造成较大的量子门操控误差的主要原因。对于串扰问题，在寄存器中进行量子门操控和态的读出时，原子量子比特之间的串扰也是造成误差因而是阻碍进行量子纠错的问题关键。针对2大关键科学问题本团队开展以下有针对性的研究：开展异核原子阵列的确定性制备研究、开展异核原子魔幻光强光囚禁研究、以及实现高保真单比特量子门的研究。最终取得如下三项重要研究成果（皆在《Phys.Rev.Lett.》上发表）：（1）构造魔幻光强囚禁原子阵列 (4*4)，在其中原子的相干时间大幅提高，频率一致性好，实现了保真度为99.995%的单比特量子门，为国际最高纪录；（2）将同核魔幻光强光囚禁技术拓展到异核原子体系从而实现了均衡的秒级相干时间的异核原子量子比特的存储；（3）开发了异核原子阵列重排算法，从而在国际上率先实现了确定几何构型的2维异核（^{87}Rb-^{85}Rb）中性原子阵列的高效率制备。这些研究成果将有力推动异核原子体系在量子计算、量子模拟等方面的研究进展，为下一步构造可扩展的异核中性原子量子信息处理器奠定了基础。