达姆施塔特工业大学的研究人员最近展示了多达111个单原子量子系统的多功能目标模式的无缺陷组装。他们在“ 物理评论快报”上发表的一篇论文中概述了他们的发现，可以推动组装原子结构超越量子优势的门槛，为量子科学和技术的新突破铺平了道路。
“我们的研究是由观察到物理科学正处于范式转变的中间观点，其中量子物理学的应用，即量子技术，正在成为不久的将来的领先技术，”Gerhard Birkl，其中一位研究人员谁进行了这项研究，他告诉Phys.org。“大量的应用程序已经可以预见，但我确信在大多数应用程序中我们都没有意识到这一点。”
量子科学和技术领域的下一步是开发实验平台，提供广泛的可扩展性，多站点量子相关和有效的量子误差校正。在过去一个世纪左右的时间里，研究人员对单量子系统进行了大量的研究，为当前的发展奠定了基础。原子量子系统在这些研究中发挥了关键作用，尤其是被光捕获的中性原子，因为它们提供了具有良好定标的良好隔离的量子系统。
“对于即将到来的量子技术，转向多量子系统，即扩大系统规模至关重要，”Birkl说。“出于这个原因，我们给自己指示开发一个新的平台，为原子量子系统提供高度可扩展的架构，完全控制所有相关参数，以推进最先进的量子技术。”
在为他们的实验开发技术基础时，参与研究的Birkl和他的学生们专注于激光冷却中性原子和光学陷阱，因为这些原子受益于过去25年的科学突破。这些突破包括激光冷却和捕获，玻色 - 爱因斯坦凝聚，单个量子系统的操纵和光学镊子。
“最后，我们意识到这些科学发展与先进光学技术的结合，如大规模微透镜阵列的微加工，为可扩展量子技术的发展提供了理想的平台，”Birkl说。“我们的工作的核心是我们应用一种新颖的实验架构，在这种架构中，我们基于二维微透镜阵列为中性原子生成二维光阱。”
研究人员使用大型激光束照射许多镜头，同时产生了几个激光陷阱。他们并行生成了多达400个陷阱，然后能够单独处理它们。
他们的实验有几个步骤。Birkl和他的同事们首先在室温真空系统中使用磁光阱(MOT)制造了一团铷原子。这允许它们在约100微开尔文的温度下产生数百万个铷原子。随后，他们打开了激光陷阱的模式并将原子转移到这些陷阱中，每个陷阱最多有1个原子。
用于在无缺陷2D目标图案中布置铷原子的实验装置的中心部分。蓝色激光用于启动相干量子操作。图片来源：Gerhard Birkl
“我们生成的图案由具有正好一个或零个原子的陷阱位点组成，”Birkl解释说。“接下来，我们拍摄了模式的图像，这使我们能够识别被占用的站点(不需要进一步的操作)和空站点。”
一旦他们确定哪些站点被占用以及哪些站点空置，研究人员就会填满所有空站点; 从目标图案外部的填充位置拾取单个原子并将其运送到目标图案中的空白位置。该传输过程使用单焦点激光束进行，该激光束可以在整个陷阱阵列中以2-D移动。
“这就像镊子用光做成的，因此它们被称为'光学镊子'，是Arthur Ashkin博士的发明，他获得了2018年诺贝尔物理学奖的部分发明，”Birkl说。“在为所有空位应用镊子后，我们拍摄原子分布的另一个图像，并确定生成无缺陷原子图案的过程成功。如果我们仍有空位，我们再一次重复装配过程。我们在一次实验运行中，这可以达到80次，这是我们成功生成大型无缺陷模式的另一个原因。“
在他们的研究中，研究人员在大量陷阱(361)上操作，放置在19x19的正方形网格中，这对应于大量单个原子(大约200个)，这使他们能够多次重复组装过程。所有这些因素最终帮助他们打破了单原子量子系统组装的先前记录。
“所使用的物理系统的可扩展性对于该领域的进一步发展至关重要，”Birkl说。“我们能够显着增加基于中性原子的系统的模式大小和成功概率。没有相关实验证明之前超过72个量子比特，不用说超过100个，甚至111个。我们的平台具有明确的前景可伸缩性甚至超出了这个数字。“
量子优势通常需要超过50个量子比特，但到目前为止，只有少数量子技术实验能够超过这个阈值。在他们的实验中，研究人员总共达到了111个量子比特，并明确规划了如何进一步超过这个数字。这证明了他们的实验平台的可扩展性。
“此外，我们可以以高成功率进入量子霸权体系，因为我们证明了8x8 = 64 量子比特模式的成功率超过60%，”Birkl补充说。“在一次实验运行1秒的持续时间内，这为每两秒量子优势制度中的量子处理提供了一种新的无缺陷配置。”
Birkl和他的团队进行的这项研究可能对量子技术研究的几个子领域产生重要影响，包括量子模拟和量子计算。研究人员现在计划将他们的平台扩展到1000个量子系统，同时增加了在原子之间启动双量子位量子门的能力，以建立基于里德堡相互作用的二维量子处理器。通过这种方式，他们也希望使用他们的实验平台实现大规模量子计算和量子模拟。