基于二维中性原子阵列的量子寄存器的实验和理论研究

Qubit (quantum bit) is cellular component for quantum information processing (QIP). Quantum information storage, quantum computation and quantum simulation could be achieved by a multi-qubit system. Neutral atom and photon have been proved to be an important resources for quantum information storage and quantum simulation. Moreover, scalable single neutral atom system with controllable interaction is a promising method for quantum computation and quantum simulation and has attracted intense research interest recently. Based on the recent experimental progresses on single atom manipulation achieved in the state key laboratory of quantum optics and quantum optics devices, we propose to extend our work to scalable single atom system and perform some quantum information related researches. This research proposal and work will cover 1) configuration and implementation of single atom array for Cesium, 2) single qubit gate manipulation based on single cesium atom in the array, 3) addressability of the array and cross talk between adjacent qubits, and 4) high fidelity readout and transmission of single qubit. We expect that a small size quantum register for quantum computation could be realized and a deeper understanding of quantum information processing with single neutral atoms could also be achieved by this research work.

量子比特（Qubit）是量子信息的基本单元，而可独立操控的多量子比特系统则是量子信息存储、量子计算和量子模拟的基础。原子与光子系统因其良好的相干性和操控性，是进行量子信息存储和量子模拟的重要系统。可扩展的单原子系统则是演示量子计算和量子模拟的重要手段，也是当前实验研究的前沿热点。本项目基于量子光学与光量子器件国家重点实验室现有实验基础，拟开展基于二维中性原子阵列实现多量子位的有效存储和操控的实验和理论研究。主要研究内容包括：1）二维中性Cs原子阵列的构建及实现；2）二维原子阵列中单个原子量子位的初始化和可控操作及退相干机制研究；3）二维原子阵列的有效寻址，阵列中不同量子比特（原子）之间的串扰研究；4）二维阵列中单量子比特的有效读取和传输的方法。通过该项研究，有望提高我们对基于单个中性原子操控实现量子信息过程的认识，建立可用于中性原子量子计算的小型量子寄存器系统。

量子比特（Qubit）是量子信息的基本单元，而可独立操控的多量子比特系统则是量子信息存储、量子计算和量子模拟的基础。原子与光子系统因其良好的相干性和操控性，是进行量子信息存储和量子模拟的重要系统。可扩展的单原子系统则是演示量子计算和量子模拟的重要手段，也是当前实验研究的前沿热点。本项目以获得二维中性原子阵列的量子寄存器为目标完成了以下工作：1）二维光学偶极阱阵列的获得；2）原子阵列寻址手段的获得和原子量子态的精确操控；3）光学中原子量子比特的退相干机制研究；4）光学阵列和高精度光学微腔的结合以及原子轨道和统计性质的精密测量。项目实现了单原子的内态操控，并利用此系统在有质量的粒子上检验了玻尔互补原理，为从更一般的层面上理解玻尔互补性原理和波粒二象性提供了重要依据；同时利用强耦合腔量子电动力学系统实现了单原子的控制和相关参数的测量，为原子阵列和光学腔的耦合奠定了坚实的基础。