精密測(cè)量研究院詹明生科研團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了二維的異核單原子陣列，原子陣列的填充效率達(dá)到88%以上，為基于異核單原子陣列的量子計(jì)算、量子模擬和超冷分子陣列的研究開(kāi)辟了新的途徑。該研究工作相關(guān)研究成果發(fā)表在國(guó)際著名的物理學(xué)學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》上。并作為本期重要研究成果入選為編輯推薦論文（Editor’s Suggestion）和物理特色論文（Featured in Physics）。同時(shí)，美國(guó)物理學(xué)會(huì)網(wǎng)刊配發(fā)了解讀文章“由兩種類型的原子組成的量子計(jì)算陣列 (Quantum Computing Arrays Made of Two Types of Atom)”對(duì)這一研究成果做了專文評(píng)述。

當(dāng)前，原子數(shù)目可控、長(zhǎng)相干時(shí)間、相互作用可調(diào)的中性原子體系已成為量子計(jì)算、量子模擬和超冷分子陣列研究的重要平臺(tái)，其中制備任意形狀無(wú)缺陷的單原子陣列是在該平臺(tái)開(kāi)展上述研究的前提和基礎(chǔ)。自2016年美國(guó)和法國(guó)的兩個(gè)研究團(tuán)隊(duì)同步地利用單原子重排技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)缺陷單原子陣列的制備以來(lái)，人們對(duì)單原子陣列的調(diào)控能力在不斷提升，陣列的維度從一維拓展到二維和三維，原子的數(shù)目從50個(gè)擴(kuò)展到數(shù)百個(gè)；每一次調(diào)控能力的提升都拓展了在平臺(tái)上開(kāi)展研究的深度和廣度，催生了一批重要的實(shí)驗(yàn)進(jìn)展，如量子多體疤痕態(tài)的發(fā)現(xiàn)、自旋液體的探測(cè)等。

然而在量子計(jì)算和量子模擬的研究中，當(dāng)量子比特的數(shù)量擴(kuò)展以后，同核體系在量子邏輯門操作和量子比特的初始化和狀態(tài)讀出時(shí)存在突出的的串?dāng)_問(wèn)題。一個(gè)避免串?dāng)_的途徑是利用異種原子共振頻率的差異來(lái)建立光譜隔離的異種原子量子比特體系。這樣的體系既可以用于執(zhí)行量子計(jì)算中不同的任務(wù), 如其中的一種原子量子比特作為糾錯(cuò)碼中的校驗(yàn)子,另一種原子作為數(shù)據(jù)量子比特,如此可能有效地執(zhí)行糾錯(cuò)并避免串?dāng)_；也可以用于量子模擬中,因?yàn)轭~外的操控自由度為多組分多自旋體系的模擬提供了條件。所以相比同核體系，異核原子體系在量子模擬、量子計(jì)算和量子精密測(cè)量等領(lǐng)域有更加廣闊的應(yīng)用前景。此外，異種原子陣列體系的建立也是實(shí)現(xiàn)極性單分子陣列合成的必要途徑。

但國(guó)際上無(wú)缺陷異核原子陣列尚未見(jiàn)報(bào)道過(guò)，這其中的挑戰(zhàn)在于異核單原子的裝載和重排中對(duì)錯(cuò)位原子的處理。詹明生研究團(tuán)隊(duì)在研究員何曉東、許鵬攻關(guān)下，通過(guò)精確調(diào)控激光的失諧和功率解決了兩種原子均勻裝載的問(wèn)題，并發(fā)展了集團(tuán)啟發(fā)算法結(jié)合優(yōu)先級(jí)標(biāo)定的算法有效地排列了錯(cuò)位的原子，實(shí)現(xiàn)了15個(gè)87Rb加15個(gè)85Rb的異核單原子陣列。研究團(tuán)隊(duì)演示了該算法對(duì)不同二維原子陣列排列的有效性，展示了棋盤型、晶格交叉型、斑馬線型等多種構(gòu)型原子陣列。至此，結(jié)合團(tuán)隊(duì)前期在異核原子量子糾纏（Phys. Rev. Lett. 119, 160502 (2017)）、魔幻光阱異核原子均衡相干時(shí)間（Phys. Rev. Lett.124, 153201 (2020)）和異核原子相干形成單分子（Science 370, 331–335 (2020) ）等方面完成的系列工作，該研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)成功創(chuàng)建了獨(dú)具特色的雙組份單原子陣列平臺(tái)，未來(lái)有望基于該多體量子平臺(tái)在量子計(jì)算、量子模擬、單分子陣列、精密測(cè)量、多體物理等方面的研究中取得突出的進(jìn)展。

從隨機(jī)裝載的異核原子初始陣列排列成多種不同形狀的原子構(gòu)型

 該研究成果以“Defect-Free Arbitrary-Geometry Assembly of Mixed-Species Atom Arrays”為題發(fā)表在物理學(xué)學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》上，特別研究助理盛誠(chéng)為第一作者，鄭州大學(xué)博士后郭瑞軍參與了該項(xiàng)研究。

該研究得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中科院先導(dǎo)專項(xiàng)和中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)項(xiàng)目的資助。