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中性原子量子計(jì)算路線，憑借可擴(kuò)展性、高保真度門操控、長相干時間以及可重構(gòu)連接，成為量子計(jì)算硬件的優(yōu)勢路線之一。與經(jīng)典計(jì)算相似，尋址能力決定可編程性。因此，高質(zhì)量的尋址操控，是運(yùn)行各種量子算法、推動量子計(jì)算應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，也是實(shí)現(xiàn)通用、容錯量子計(jì)算的基石。在中性原子量子計(jì)算路線中，現(xiàn)有的尋址方案難以同時實(shí)現(xiàn)高并行、高速率、高穩(wěn)定性的尋址操控。

目前，中性原子量子計(jì)算的尋址方案可以分為兩種。第一種是“原子找激光”（原子穿梭）方案，通過原子在不同功能區(qū)的相干轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)尋址，便于并行操作和非局域連接，但跨阱移動會增加量子門之間的閑置時間，且引入原子加熱，不利于深層操作。第二種是“激光找原子”（光束掃描）方案，利用聲光偏轉(zhuǎn)控制強(qiáng)聚焦的尋址光，可將閑置時間壓至微秒量級，但并行尋址能力受限，且在長期精準(zhǔn)對準(zhǔn)與指向漂移控制方面存在技術(shù)挑戰(zhàn)。

近日，中國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院詹明生、許鵬團(tuán)隊(duì)在中性原子量子計(jì)算領(lǐng)域取得進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)提出并演示了一種基于光纖陣列的中性原子量子計(jì)算新架構(gòu)，解決了原子量子計(jì)算難以同時實(shí)現(xiàn)高并行、高速率和高穩(wěn)定性尋址操控的難題。

該架構(gòu)的核心在于，為每個量子比特配置一條獨(dú)立的控制通道，將每個原子比特的囚禁光和尋址光通過同一根單模光纖傳輸，并經(jīng)由共享光路在真空中聚焦形成光鑷。這種共路設(shè)計(jì)，使控制光束與原子陷阱在空間上天然對齊，消除了因機(jī)械振動或熱漂移導(dǎo)致的光路失準(zhǔn)問題，為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、獨(dú)立的量子控制提供了物理保障。

實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)在64根光纖構(gòu)成的陣列中，用其中10路演示了對10個單原子的尋址操控，其中每個原子的單比特門操作的平均保真度達(dá)0.9966（3）。4個隨機(jī)選擇的量子比特同時執(zhí)行任意單比特門操作時，平均保真度達(dá)0.9961（4）。團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了兩原子間的里德堡態(tài)阻塞，為實(shí)現(xiàn)高保真兩比特門奠定了物理基礎(chǔ)。

該架構(gòu)可通過復(fù)制通道直接擴(kuò)展，也可采用三維光波導(dǎo)陣列與集成光子芯片技術(shù)進(jìn)行擴(kuò)展，為基于大規(guī)?？煽貑卧雨嚵辛孔佑?jì)算提供了新路徑。

相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然·通訊》（Nature Communications）上。

論文鏈接

光纖陣列架構(gòu)原子量子計(jì)算的基本原理和實(shí)驗(yàn)裝置圖