CALTECH创新使用碱土原子为新的量子计算机设计铺平了道路

该图示代表两个缠绕的Qubits，其中Qubits inpidive上控制锶原子。红色形状表示所谓的光学镊子，每个光学镊子每个螺旋保持一个原子。每个锶原子具有两个外电子，碱土原子的特征。在左边的原子中描绘的一个电子处于大型轨道，称为rydberg状态。当这两个原子纠缠在一起时，Atom可以占据丽德伯格状态;它们是普通物理学家称之为两种可能性的叠加。

物理学家最新成就与中性原子铺平了新量子计算机设计的方式。

在寻求开发量子计算机时，物理学家已经采取了几种不同的路径。例如，谷歌最近报道了它们的原型量子计算机可能比经典计算机更快地进行特定计算。这些努力依赖于涉及超导材料的策略，这些策略是一种材料，当冷却到超薄温度时，通过零阻力进行电力。其他量子计算策略涉及带电或中性原子的阵列。

现在，在CALTECH的量子物理学家团队在工作中取得了进步，这些工作中使用了一种称为碱性地球原子的更复杂的中性原子，其位于周期表的第二栏中。这些原子包括镁，钙和锶，在其外部区域或壳中具有两个电子。以前，实验中性原子的研究人员专注于位于周期表的第一栏中的元件，其在其外壳中仅具有一电子。

在自然物理学期刊上发表的论文中，研究人员表明它们可以使用inpiation上控制的碱土原子来实现量子计算的标志：纠缠。当两个原子仍然在距离距离分离时，当两个原子保持紧密连接时，发生这种看似的矛盾现象。entantlement对量子计算机至关重要，因为它使计算机的内部“交换机”使得称为Qubits，彼此相关并编码指数信息。

“基本上，我们正在为三个领先的Quantum科学平台之一打破双态纠缠记录：Inpidualtal原子，”Caltech团队的物理和领导者助理教授Manuel Endres说。Endres也是国家科学基金会（NSF）量子飞跃挑战机构计划建立的三个新量子研究机构之一的成员，以及五个能源量子科学中心之一的成员。

“我们正在开辟一个新的工具箱，用于量子计算机和其他应用程序，”伊藤罗·麦贾罗夫（Caltech Grose）和新研究的主要作者说。“用碱土原子，我们有更多机会操纵系统和新机会，以获得系统的精确操作和读数。”

为了实现他们的目标，研究人员转向光学镊子，这是基本上的激光束，可以操纵逃生原子。该团队以前使用相同的技术开发了一种新的光学原子钟设计。在新的研究中，镊子用于说明在原子阵列内的两个锶原子变得缠结。

“我们之前已经证明了第一次碱性地球原子的第一次控制。在目前的工作中，我们增加了一种机制，基于高度激励的rydberg状态，在原子的基础上产生了纠缠，其中原子分开了许多微米的彼此感受大的力量，“卡特科的博士法学者雅各布Covey说。“碱土原子的独特性质提供了改进和表征Rydberg互动机制的新方法。”

更重要的是，研究人员能够通过使用中性原子来创造比以前所实现的准确度更高的纠缠态，并准确与其他量子计算平台相提并论。

在未来，研究人员希望能够扩大他们控制唯一Qubits的能力，并计划进一步调查纠缠三个或更多原子的方法。

“最终的名称是为许多原子达到非常高的纠缠和可编程性，以便能够执行由经典计算机棘手的计算，”endres说。“我们的系统也适合调查这类许多原子纠缠可以提高原子钟的稳定性。”

参考：Hyiveleity纠缠和碱土rydberg原子的检测由Ivaylo S. Madjarov，雅各布P.Covey，Adam L. Shaw，Joonhee Choi，Anand Kale，Alexandre Cooper，Hannes Pichler，Vladimir Schkolnik，Jason R. Williams和Manuel Endres ，5月20日，自然物理.DO：
10.1038 / S41567-020-0903-ZCARTECHAUTHORS：
20200312-141649005

该研究发表于8月份Nature Malicy的Nature Mealyics由NSF，Sloan Foundation，F. Blum，Caltech，Gordon和Betty Moore基金会和Larson冲浪奖学金提供资金。其他作者包括，在CALTECH：研究生ADAM L. Shaw; Joonhee Choi，IQIM博士后学者在物理学中; anant kale，实验室助理; Alexandre Cooper，First Proddoctoral Scholar in Physics;和Hannes Pichler，前摩尔博士后学者在理论物理学中;弗拉基米尔·施克尔尼克和杰森·威廉姆斯的喷射推进实验室（JPL），由Caltech为美国宇航局管理。