2022
10/24
相关创新主体

创新背景

在探索发展量子计算机的过程中,物理学家们走了好几条不同的道路。例如,谷歌的量子计算机原型可能比经典计算机更快地进行特定计算。这些努力依赖于一种涉及超导材料的策略,这种材料在冷却到超冷温度时,传导电阻为零。其他量子计算策略涉及带电或中性原子阵列。

 

创新过程

加州理工学院的一个量子物理学家团队在使用一种更复杂的中性原子(位于元素周期表第二列的碱土原子)的研究上取得了进展。这些原子,包括镁、钙和锶,在它们的外层区域或壳层有两个电子。此前,研究人员对中性原子进行的实验主要集中在元素周期表第一列的元素上,这些元素的外层只有一个电子。

研究人员演示了他们可以使用单独控制的碱土原子来实现量子计算的一个标志:纠缠。当两个原子即使相隔很远也仍然紧密相连时,这种看似矛盾的现象就会发生。纠缠对量子计算机来说至关重要,因为它使计算机内部的“开关”(被称为量子位)能够相互关联,并编码成指数量级的信息。

研究人员正在为量子计算机和其他应用打开一个新的工具箱,碱土原子给他们提供了更多的机会来操纵系统,也有新的机会来精确操纵和读出系统。

为了实现他们的目标,研究人员转向光镊,这基本上是激光束,可以操纵单个原子。该团队此前使用同样的技术开发了光学原子钟的新设计。在这项新研究中,镊子被用来使原子阵列中的两个锶原子发生纠缠。

研究人员之前已经证明了第一次控制单个碱土原子。在新的工作中,他们增加了一种机制来产生原子之间的纠缠,这是基于高度激发态的里德伯状态,在这种状态下,相隔许多微米的原子彼此感受到巨大的力,碱土原子的独特性质为改进和表征里德伯状态相互作用机制提供了新的方法。

更重要的是,研究人员能够以更高的精确度创造纠缠态,比之前通过使用中性原子所达到的精度更高,其精确度与其他量子计算平台相当。

在未来,研究人员希望扩大他们控制单个量子比特的能力,他们计划进一步研究纠缠三个或更多原子的方法。

 

创新关键点

加州理工学院的一个量子物理学家团队在使用一种更复杂的中性原子(位于元素周期表第二列的碱土原子)的研究上取得了进展。这些原子,包括镁、钙和锶,在它们的外层区域或壳层有两个电子。

 

创新价值

物理学家在中性原子方面的最新成就为新的量子计算机设计铺平了道路。

研究人员最终的目标是达到一个非常高水平的原子纠缠和可编程性,以便能够执行传统计算机难以处理的计算。新系统也适用于研究多原子纠缠提高原子钟的稳定性的方法。

 

Innovative use of "alkaline earth atoms" for quantum specific computation

A team of quantum physicists at the California Institute of Technology has made progress using a more complex type of neutral atom, the alkaline earth atom in the second column of the periodic table. These atoms, including magnesium, calcium and strontium, have two electrons in their outer regions, or shells. Previous experiments on neutral atoms have focused on elements in the first column of the periodic table, which have only one electron in their outer shell.

The researchers demonstrated that they could use individually controlled alkaline earth atoms to achieve a hallmark of quantum computing: entanglement. This seemingly contradictory phenomenon occurs when two atoms remain close together even though they are far apart. Entanglement is crucial to quantum computers because it enables the "switches" inside the computer, known as qubits, to relate to each other and encode information on the order of digits.

Researchers are opening a new toolbox for quantum computers and other applications, and alkaline earth atoms give them more opportunities to manipulate systems, as well as new opportunities to precisely manipulate and read them out.

To achieve their goal, the researchers turned to optical tweezers, which are basically laser beams that can manipulate individual atoms. The team previously used the same technique to develop a new design for an optical atomic clock. In the new study, tweezers were used to entwine two strontium atoms in an atomic array.

Researchers have previously demonstrated the first control of a single alkaline earth atom. In the new work, they added a mechanism to produce the entanglement between the atom, which is based on the highly excited rydberg state, in this state, many microns apart atoms each other feel great force, unique properties of alkaline earth atom for improvement and characterization of rydberg state interaction mechanism provides a new method.

What's more, the researchers were able to create entangled states with greater accuracy than previously achieved by using neutral atoms, and with an accuracy comparable to other quantum computing platforms.

In the future, the researchers hope to expand their ability to control a single qubit, and they plan to further investigate ways to entangle three or more atoms.

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