普林团队实现毫秒级原子补充，同时保持量子比特相干性

在补充新原子的同时，保持已有量子比特的相干性，是中性原子量子处理器持续运行的一项关键要求。美国普林斯顿大学 Jeff Thompson 研究团队近日在 Science 发表研究，将快速、连续的原子补充与已有量子比特的相干操控结合起来：从储存区向光镊装载原子的特征时间约为 1 毫秒，后续运输也只需 1 毫秒。实验中，补充过程没有对已存储量子比特的寿命和相干性造成可观测的额外影响。 团队不仅演示了连续提取原子，还完成了单原子制备、非破坏性成像、量子比特初始化和自旋读取，并通过对照实验验证，后续补充和初始化流程没有造成可分辨的额外退相干。 近年来，中性原子量子处理器在规模和操作精度上不断取得进展，研究人员也已演示量子纠错和基于逻辑量子比特的算法。然而，如果只能使用计算开始前准备的一批原子，随着原子损耗和泄漏误差不断积累，可执行的量子线路深度就会受到限制。 背景气体碰撞、原子运输、门操作误差以及部分读取方式都可能造成原子损耗。补充原子又往往需要磁场梯度和冷却、成像光，可能破坏已有量子比特的状态。此前一项保留量子相干性的双原子种类补充实验，其特征装载时间约为 90 毫秒。如何兼顾补充速度与相干性，是这项研究要解决的问题。 团队在计算区附近设置了一个持续补充的高密度冷原子储存区。移动光镊从中提取原子，再将它们送往后续操作区域。光镊是利用聚焦激光形成的微小光学陷阱，可以捕获和移动原子；多个光镊组成的阵列则能同时处理许多位点。 在连续提取测试中，团队对一个含 256 个位点的光镊阵列反复执行“装载、运输、释放”，频率最高达到每秒 500 次，对应每秒提取 7.3 万个原子。实验未观察到储存区密度或装载概率随提取速率升高而下降。约 1 毫秒的特征装载时间，相比上述 90 毫秒的结果缩短了近两个数量级。 这一速度依赖于持续工作的原子供应系统。冷原子从相邻真空腔室中的三维磁光阱出发，沿腔增强光学偶极阱被引导约 35 厘米，到达储存区，再由一维光学黏胶减速和冷却。增强腔采用多个频率驱动，以减弱驻波对运输的影响。储存区建立的时间常数约为 5 秒，但进入稳态后可以持续供给原子，无须每次提取后从头装填。 用于提取原子的光镊阵列由交叉声光偏转器产生，工作波长为 488 纳米。装载时，阵列与储存区重合；装载后，振镜将其移到约 300 微米外的成像区，以降低储存区原子荧光的干扰。成像期间短暂关闭光学黏胶，储存区内的原子仍可保留，但其平均补充速率会受到黏胶开启占空比的影响。 测量表明，储存区密度越高，光镊装载越快。当光学黏胶的占空比从 5% 提高到 50% 时，稳态原子密度从每立方厘米约 800 亿提高到约 4300 亿，最快测得的特征装载时间为 0.84 毫秒。这里的装载时间描述的是光镊捕获一个或多个原子的速度，并不等于完成单量子比特制备的全部时间。 每秒 500 次的测试用于衡量原子供应能力：循环中不逐次成像，只在最后一次提取后检测装载概率。因此，这一数字不能直接理解为每秒完成 500 次量子比特制备或量子计算。 在保持位点间距和单个光镊功率不变时，阵列从 5×5 扩展到 16×16，装载时间常数也没有明显变化。在最高提取速率下，进入储存区的原子中只有约 4% 被光镊提取，说明原子供应仍有余量。不过，要将这种余量转化为更高的量子比特制备速率，还需要加快后续处理步骤。 原子进入光镊后，还不能立即作为量子比特使用。团队先利用光辅助碰撞去除多余原子，使占据的位点只留下一个原子，再进行非破坏性成像、冷却和初始化。这样得到的是随机占据的单原子阵列；若要形成无缺陷的目标阵列，还需要进一步重排。 在尚未充分优化的条件下，光辅助碰撞需要 6 毫秒，单次成像需要 4 毫秒，将原子冷却至约 10 微开尔文需要 6 毫秒。为降低光镊激光在物镜中诱发的背景荧光，后续高保真成像实验使用了 5×5 阵列。最后，原子在约 0.7 毫秒内被光学泵浦到亚稳态量子比特的 |1⟩ 态。 量子比特的 |0⟩ 和 |1⟩ 对应镱 171 原子 ³P₀ 亚稳态中的两个核自旋子能级。读取时，团队将两种自旋态依次转移到 ¹S₀ 基态，分别获取一张图像。具体过程先通过双光子拉曼跃迁将目标自旋态转移到 ³P₂，再借助经过 ³D₂ 态的光学泵浦返回基态，从而使目标原子能够被成像。 两张图像可以区分三种结果：第一张亮，对应 |0⟩；第一张暗而第二张亮，对应 |1⟩；两张都暗，则判为丢失。这使实验能够将原子丢失与两种自旋态的读取结果分开记录，而非将丢失一概算作某一种自旋态。 对两种输入态取平均，记录到正确结果的概率为 96.44%；排除判为丢失的事件后，正确率为 99.27%。这两个指标的统计口径不同，后者不能代替包含损失的整体表现。 包含上述制备和读取步骤后，团队能够以每秒 30 次的速率持续处理新装载的原子阵列。若重复使用非破坏性读取后留下的原子，跳过再次装载和光辅助碰撞，测量速率可提高到每秒 50 次。团队还利用同一批 25 个位点上的原子，在 231 毫秒内采集了一条可分辨损失的拉比振荡曲线，展示了这种方法用于快速测量和校准的潜力。 快速补充之外，另一项关键验证是：补充新原子时，已有量子比特能否继续保持相干。团队将量子信息存储在镱 171 的 ³P₀ 亚稳态核自旋中，利用其与基态冷却和成像跃迁的区别，减小原子制备光对存储量子比特的影响。 这并不意味着存储的量子比特不会发生损耗或退相干，而是要检验补充流程是否带来额外影响。实验将“持续补充新原子”与“不进行后续补充”两种条件直接比较，分别测量存储量子比特的寿命、相干时间和相干驱动表现。 为此，团队利用空间光调制器建立固定存储阵列，将一批已制备的量子比特转移进去。移动光镊随后返回装载区，反复执行新一轮装载、单原子制备、成像和初始化，同时对固定阵列中的量子比特进行相干操作。 完成存储和操控后，量子比特被转回移动光镊读取。这是因为本实验固定阵列的偏振条件不适合直接进行低损耗成像。通过这种分工，原子补充与量子信息存储可以同时开展。 在不补充和持续补充两种条件下，测得的量子比特寿命分别为 1.30±0.03 秒和 1.35±0.04 秒，Ramsey 相干时间分别为 0.69±0.02 秒和 0.73±0.02 秒。使用 Hahn 回声后，相干时间分别为 7±1 秒和 5.4±0.9 秒。结合测量不确定度，这些结果没有显示补充流程造成可分辨的额外退相干；相干时间的分析针对未丢失的原子。 较长的自旋相干时间也与保留亚稳态量子比特的擦除误差优势相容。当错误能够被标记为发生在某个已知位置的损失或泄漏时，纠错可以利用这些位置信息，有望降低容错开销。但持续补充原子本身并不等于恢复丢失的量子信息，后者仍需要量子纠错或相关的信息转移协议。 团队还在补充原子的同时持续驱动 |0⟩ 与 |1⟩ 之间的拉比振荡，未观察到超出量子比特寿命所能解释的额外衰减。这说明补充流程可与单量子比特相干操作并行。已有量子比特在等待期间仍会自然衰减，但若补充不增加计算等待时间，就不必将这部分衰减全部视为补充操作额外引入的误差。 要将这套方法用于完整的量子处理器，还需结合原子重排、双量子比特门和电路中途测量。论文提出，可利用局域光位移选择性地读取部分量子比特。更快的制备和读取也有望支持更频繁的门校准，帮助处理器维持稳定的操作性能。 当原子装载缩短至约 1 毫秒后，主要耗时转移到了光辅助碰撞、非破坏性成像和冷却：不计原子重排，这些步骤占据了超过 90% 的循环时间。团队提出，通过多个光镊阵列并行处理并采用高速流式相机接口，未来有望将装载、操作和测量的循环速率提高到每秒数百次；这仍是待实现的改进目标。 这项工作展示了中性原子处理器持续运行所需的一项基础能力：快速供应新原子，同时保留已有量子比特的相干性。它尚未演示无限深度或完全容错的量子计算，但为不再受初始原子数量限制的长线路实验提供了条件。除量子计算外，这些技术也有望减少光镊原子钟的测量死时间，并提高量子模拟的采样速率。