中性原子量子处理器有望成为一个大规模量子计算平台，若将其与光腔集成，则可以快速无损地读取量子比特，并为量子网络提供快速远程纠缠生成。
3月20日，哈佛大学、麻省理工学院组成的研究团队在《Science》期刊上发表题为“Error-detected quantum operations with neutral atoms mediated by an optical cavity”（由光腔介导的中性原子的检错量子操作）的研究论文，Brandon Grinkemeyer，Elmer Guardado-Sanchez，Ivana Dimitrova为论文共同第一作者，Mikhail D. Lukin教授为论文通讯作者。
该研究介绍了一个将光镊中的单原子耦合到法布里-珀罗光纤腔的平台。利用强的原子-光腔耦合，展示了保真度为99.960+0.00014~99.960-0.00024%的快速量子比特态读取，以及两种具有集成检错的腔介导纠缠生成方法。
首先，研究人员使用腔雕刻（cavity-carving）来生成具有91(4)%保真度和32(1)%成功率的Bell态（括号中的数字是标准差）。
其次，研究人员以52.5(18)%的确定性纠缠保真度执行了一个腔介导门，并使用检错将保真度增加到76(2)%。
文章所用方法为模块化量子计算与量子网络提供了一条途径。
另外，本文通讯作者Mikhail Lukin是一位值得关注的物理学家。
比如，3月18日，英伟达宣布正在波士顿建立加速量子研究中心（NVAQC），将与HQI合作。
Mikhail Lukin对此表示，“NVAQC 系统汇集了世界顶级大学和初创企业。NVIDIA正在整合加速量子和经典计算技术，推动从量子纠错到量子计算系统应用等领域的前沿研究，加速量子计算研究，并推动实用量子计算迈向新阶段。”
同时，Mikhail Lukin与他人共同创立的量子公司QuEra也将作为创始成员加入英伟达™（NVIDIA®）加速量子研究中心（NVAQC）。
作为QuEra的联合创始人之一，Lukin在公司的技术方向和研发工作中发挥关键作用，他的研究为QuEra的中性原子量子计算平台奠定了理论基础，将带领团队在量子纠错方面取得了重要突破，这些成果有望推动量子计算技术的实用化。
他也是Quantum Diamond Technologies的联合创始人和董事会成员。
图：Michkila Lukin
来源：哈佛大学
中性原子量子计算：迈向模块化与量子网络的突破
中性原子阵列是大规模量子信息系统的一个有前途的平台，可实现具有多个逻辑量子比特的量子算法，也能够作为研究量子计量学和时钟的新方法。
高保真双量子比特门的实现以及对非局域连接和可重构架构的相干传输的使用促进了这些进步。
虽然具有超过10000个物理量子比特的量子处理器似乎触手可及，但进一步的扩展可能会受益于模块化方法，其中量子计算分布在通过快速高保真量子网络通道连接的量子处理器上。
这种方法需要将原子阵列与光腔集成，这提供了与光学模式中的光子的直接耦合，该光学模式可以容易地收集用于快速高保真远程纠缠分布。
将单独控制的原子集成到光镊中的光腔中，只是最近才在实验上实现。
量子比特读取与纠缠生成：基于光腔的高效量子操作理论
该研究提出了一种将中性原子与光腔耦合的平台，用于实现快速量子比特读取和纠缠生成。通过利用光学腔的强耦合特性，实现了快速高保真量子比特读取，对加速量子纠错算法至关重要。
此外，该研究还展示了如何通过光子暗态实现两个原子之间的量子纠缠。
光子暗态是一种反相位叠加态，其中一个原子的激发与另一个原子的激发相互抵消，使得光腔在该状态下对光不敏感。
选择性地激发原子，可以实现基于原子态的纠缠生成，而不是依赖于光子检测。这种方法提高了纠缠生成的成功率，从而提高了量子网络的效率。
为了进一步提高量子操作的保真度，这项研究还提出了一种检错机制。通过设计光腔的耦合和驱动条件，使得错误事件主要导致原子处于可检测的错误态，从而可以通过后选择提高量子操作的保真度，为实现高保真量子操作提供了新的途径。
图：实验装置和量子比特读取
图：光子暗态光谱学
光镊中的中性原子与光腔耦合：量子比特读取与纠缠生成实验
实验中，研究人员将单个铷87原子通过光镊加载到法布里-珀罗光纤腔（FPFC）上方，并将其传输到腔模式中。FPFC具有低散射损耗和小曲率半径，能够实现高合作性（C~100），同时为光镊提供了足够的光学访问。
通过使用810纳米激光锁定外部超低膨胀（ULE）腔，确保了780纳米腔模式与铷87的D2跃迁保持锁定。
研究人员探测腔的透射光谱来表征原子-腔系统，提取了原子-光子耦合强度和腔线宽等参数。基于这些参数，实验实现了快速高保真量子比特读取，读取保真度达到99.96%，读取时间为10毫秒。
为了实现两原子之间的纠缠，研究人员利用光子暗态。
研究人员从侧面激发原子，观察到了单原子和双原子耦合到腔时的能级分裂。双原子情况下的一个额外的特征，就是光子暗态。
通过调整腔的共振频率和激发条件，研究人员实现了基于光子暗态的两原子纠缠。实验中首先制备了所有双量子比特态的等权叠加态，然后通过应用驱动脉冲选择性地“雕刻”出特定的波函数部分，最终制备出贝尔态。
经过后选择，研究人员得到了保真度为91%的贝尔态，成功概率为32%。
此外，研究人员还实现了基于量子比特态依赖共振的量子门操作。
研究人员增加激光强度后，可以在10态和光子暗态之间驱动相干光学拉比振荡，而11态被阻塞，00态和01态不受驱动影响。
通过执行完整的2π旋转，10态相对于其他三个两量子比特态获得了一个相对π相位，从而实现了受控相位门。
检错和后选择帮助研究人员将贝尔态的保真度从52.5%提高到76%，成功概率为69%。
图：使用腔雕刻的Bell态制备
图：使用检错的确定性量子门
研究成果
本研究成功展示了一个将中性原子与光腔耦合的平台，实现了快速高保真量子比特读取和基于光子暗态的量子纠缠生成。
研究人员实现99.96%的量子比特读取保真度，以及91%的贝尔态纠缠保真度。
此外，通过检错机制，研究人员将量子门操作的保真度从52.5%提高到76%。
这些成果为中性原子量子计算和量子网络的发展提供了新的可能性。
该平台不仅提高了量子比特读出和纠缠生成的效率，还为实现高保真量子操作提供了新的方法。
通过进一步提高光学腔的合作性，研究人员有望实现更快的读取速度和更高的保真度。
此外，该平台还可以扩展到多原子系统，为实现复杂的量子网络操作和分布式量子计算奠定了基础。
主要参与人员
1、Mikhail D. Lukin，美国科学院院士，哈佛大学Joshua and Beth Friedman教授，量子科学与工程计划联合主任，QuEra和Quantum Diamond Technologies的联合创始人和董事会成员。研究领域是量子光学和原子物理学，重点研究由相互作用的光子、原子、分子和电子与现实环境耦合而成的量子系统，正在开发控制此类系统量子动力学的新技术，并研究与之相关的基本物理现象。
2、Brandon Grinkemeyer，2019年加入Lukin团队，曾与法国帕莱索的Browaeys集团合作，在普林斯顿大学Thompson团队参与开发了第一个被光镊捕获的镱原子阵列，在威斯康星大学的Saffman团队工作一年并从事原子量子比特阵列 (AQUA) 实验。目前，Brandon专注于推进中性原子量子系统的光子接口，将镊子中的单个原子与光学腔耦合。
3、Elmer Guardado-Sanchez，普林斯顿大学博士，导师Waseem Bakr，曾参与一项锂-6量子气体显微镜实验，旨在设计出物质的强关联量子态，工作重点是研究此类系统的动态特性，并通过耦合到里德堡态来扩展实验的模拟能力。他的目标是开发这项实验，以实现一个高效的量子信息和量子模拟平台，并探索其与里德堡阵列技术的集成。
4、Ivana Dimitrova，麻省理工学院博士，在Wolfgang Ketterle团队中从事 Li-7 实验。她与团队一起利用光学晶格中的超冷原子构建了一个量子模拟器，并实现了各向异性的海森堡模型，研究了各种状态下的自旋动力学和多体态的绝热制备。在Lukin团队中，她正在研究与纳米光子腔耦合的光镊中的Rb-87原子。