芝加哥大学Hannes Bernien团队实现了一种双元素原子阵列，可以单独控制单个铷原子和铯原子。研究人员使用512个光镊捕获铷原子和铯原子各256个，并观察到两个元素之间的串扰可以忽略不计。由此，中性原子体系实现了创纪录的512量子比特。论文于3月2日已经发表在《物理评论X》上[Phys. Rev. X 12, 011040 (2022)]。
在量子计算领域，所有量子体系结构共同面临的一个核心挑战是在扩大系统规模的同时保持对单个量子比特的高保真控制和低串扰。目前，中性原子阵列已经成为一种很有前途的量子体系结构，可以突破目前对系统规模、相干性和高保真态制备和控制的限制。在中性原子系统中，单个中性原子被捕获在光镊阵列中，通过将它们激发到里德伯态来产生原子之间的相干相互作用。原子阵列实验已经达到了数百个原子的系统规模，包括哈佛大学Mikhail Lukin团队256个原子(量子比特)的可编程量子模拟器[Nature 595, 227 (2021)]，证明了这种平台的潜力。然而，这些演示仅限于单个原子元素的阵列，其中原子的相同性质使得大量原子量子比特的无串扰控制和非破坏性读出具有挑战性。
此次，芝加哥的Bernien等人从两种不同的元素中创建了一个中性原子的混合阵列，显著拓宽了该系统在量子技术中的潜在应用。在由两种不同元素的原子组成的混合阵列中，任何原子最近的邻居都可以是另一个元素的原子，具有完全不同的频率。这使得研究人员更容易测量和操纵单个原子，而不受周围原子的任何干扰。这种阵列的混合性质也为许多应用打开了大门，而这些应用是单种原子无法实现的。由于这两种物质是独立可控的，一种元素的原子可以用作量子存储器，而另一种元素可以用来进行量子计算，在典型的计算机上分别扮演RAM和CPU的角色。Bernien小组创建的混合阵列包含512台激光器：256台装有铯原子，256 台装有铷原子。谷歌和IBM的量子计算机是由超导电路而不是束缚原子组成的，它们只得到了大约130个量子比特。尽管Bernien 的设备还不是量子计算机，但由原子阵列制成的量子计算机更容易扩大规模，这可能会带来一些重要的新见解。
论文链接：https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.12.011040