囚禁在光阱中的單個中性原子及原子陣列是極具前途的量子信息處理與量子模擬的眾多物理候選體系之一。中性原子體系與外部環(huán)境的耦合較之其它體系（如離子、NV色心、量子點、超導線路等）弱，利于大規(guī)模單原子陣列的制備。而要在大規(guī)模的中性原子寄存器中實現(xiàn)量子信息處理，其中一個關鍵的環(huán)節(jié)就是單量子比特的相干性在陣列的不同格點中轉移時要能夠很好地保持。通常，量子比特是編碼在Rb原子的兩個超精細能級的鐘躍遷態(tài)中，超精細能級劈裂導致阱中原子上下能級的光頻移不同，即產生微分光頻移。在之前的實驗中，微分光頻移是引發(fā)單原子量子比特轉移中相干性丟失的主要因素，通常的動力學退耦的方法也無濟于事。這一難題極大地限制了大規(guī)模中性原子量子信息處理平臺的實現(xiàn)與應用。

　　
研究組骨干何曉東副研究員與博士生楊佳恒等人利用單原子操控實驗平臺，在國際上首次測量了基態(tài)原子在矢量光場中的超極化率，接著通過控制矢量激光場和原子間微弱的相互作用，構造了單原子的魔幻光強偶極阱，有效地消除了有害的微分光頻移。在該阱中，單量子比特的壽命從幾毫秒提高到225毫秒。更為重要的是，他們成功地利用一個運動的魔幻阱將一個靜止量子比特從另一個靜止的魔幻阱中提取出來，變成移動比特，轉移后送回到原處。通過測量運動量子比特的干涉條紋，發(fā)現(xiàn)量子比特的相干性并沒有因為轉移而丟失。該研究成果為下一步利用囚禁在光偶極阱陣列中的單原子構造可擴展的量子信息處理器奠定了基礎。

　　
該研究得到了科技部國家重大科學研究計劃“囚禁單原子（離子）與光耦合體系量子態(tài)的操控”、國家自然科學基金委基金和中科院“基于原子的精密測量物理”先導專項的資助。

 

　　環(huán)型光晶格中單原子量子比特的轉移