双物种原子阵列有望实现量子纠错

Josiah02 · 发表于 2024-10-16 13:57:40

《自然物理学》的一项研究实现了将铷（Rb）原子和铯（Cs）原子结合在一起的双物种里德伯阵列，以增强量子计算及其应用。
在量子世界中，使用中性原子作为量子比特或量子位并非新鲜事。利用光镊（即聚焦的激光束）捕获中性原子，可以操纵原子进行存储和执行计算。
中性原子用于模拟量子模拟和数字量子计算。由于其可扩展性（高达数千个量子比特）、长相干时间（超过几秒）以及高保真量子操作的可用性，它们是基础研究和量子计算应用的一条有前途的途径。
然而，使用单一种类的中性原子进行量子应用面临着诸多挑战，例如中电路读出的实现（在量子电路中间的辅助量子位子集上进行的测量）以及辅助量子位和数据量子位之间的串扰，从而导致退相干。
芝加哥大学汉内斯·伯尼恩博士领导的研究小组通过使用两种不同的中性原子解决了这个问题。
Phys.org 采访了 Bernien 博士，询问他对探索这一特定研究领域的兴趣。他说：“我对测量在量子力学中的作用很感兴趣。当然，测量可以用来收集有关量子系统的信息，但也可以用来准备和操纵系统。”
这类系统中使用的原子称为里德伯原子，具有独特的性质。
里德伯原子
里德堡原子，就像研究中使用的那种，是电子被激发到高度激发态的原子。这意味着它们距离原子核很远。
这些原子体积巨大，因为电子和原子核之间的距离很大。它们之间还表现出非常大的偶极-偶极相互作用，电子为负极，原子核为正极。
高激发态还允许较大的相干时间，这是量子比特的严格要求。此外，它们与其他里德堡原子相互作用良好，并且可以使用激光场轻松操纵。
在《自然物理》研究中，研究人员使用 Rb 和 Cs 里德堡原子来创建中性原子阵列。选择使用两种不同的原子源于单一物种系统所表现出的局限性。
双物种原子阵列中的里德堡相互作用。图片来源：《自然物理学》（2024 年）。DOI：10.1038/s41567-024-02638-2
双物种里德伯阵列
为了实现双物种系统，研究人员使用光镊分别捕获 Rb 和 Cs 原子。由于频率间隔较大，这两个原子物种可以单独操纵，且不会产生串扰。不过，当激发到特定的里德堡态时，原子之间的某些能级可以产生共振。
简单来说，每种原子都经过调整，使两种原子的能级相似。研究人员之所以选择这样做，是因为他们发现了 Rb 和 Cs 能级之间存在一种之前未观察到的跨物种共振，称为 Förster 共振。
研究人员利用双物种里德伯阵列，为每个物种实施了独立的控制方案，从而实现了更精确的控制。他们还开发了各种技术来利用该装置的独特属性。
福斯特共振、阻塞效应和纠缠
物种间共振增强了相互作用强度，其用途非常广泛。物种间相互作用越强，偶极-偶极相互作用就越强，从而增强了它们相互作用和纠缠的能力，从而使两种物种之间能够高效地传递能量（或信息）。
另一个优势与增强量子纠缠有关，这是量子计算的基石。共振可以产生强烈的阻塞效应，其中一个原子的激发会阻止另一个附近原子甚至多个附近原子的激发。
Förster 共振会导致更强的阻塞，从而导致量子比特之间更有效的量子纠缠。
Bernien 博士进一步解释说：“利用所谓的 Foerster 共振，我们可以实现 Rb-Cs 相互作用比 Rb-Rb 和 Cs-Cs 相互作用强得多的状态。这些不对称相互作用可能对量子信息处理非常有用，并为量子模拟开辟了新的方向。”
“此外，我们随后利用这些相互作用在 Rb 和 Cs 之间执行双量子比特门，以及激发这项研究的量子非破坏测量。”
通过利用物种间相互作用，研究人员能够在 Rb 和 Cs 量子比特之间产生贝尔态。这种最大纠缠态表现出高度的量子关联性，这对于隐形传态和超密集编码等量子信息处理任务至关重要。
Bernien博士提到的量子非破坏性测量对于提高量子信息过程的准确性，特别是量子纠错至关重要，使得重复测量不会失去数据量子位的相干性。
量子计算的新范式
虽然该实验成功展示了量子比特操作的新范式，但也存在一些挑战。
Bernien 博士说：“与大多数原子阵列实验一样，最大的麻烦就是激光。对于这些里德堡激发，激光必须非常窄并且精确锁定。此外，电子跃迁并不是最方便的波长，因此缺乏可靠的激光技术。”
尽管存在这些挑战，但双物种里德堡阵列的实现对于量子纠错(QEC) 来说尤其具有吸引力。QEC 是一种用于在不干扰量子信息的情况下检测和纠正量子计算错误的方法。
该方法可有效用于从数据中提取误差。Bernien 博士谈到了此应用以及量子模拟的应用。
“我预计，如果需要的话，可以进行多轮误差修正以及前馈操作来修复误差。对于量子模拟，我对新的相互作用机制所开辟的可能性非常感兴趣。我们已经在合作探索这些机制中的相图，并研究双物种阵列中的非遍历动力学，”他说。
研究团队还期待探索此类系统在量子多体物理、测量诱导相变和测量改变动力学中的应用。

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