南方科技大学量子科学与工程研究院中性单原子阵列实验室，利用原子的激光冷却与囚禁技术在微型光镊阵列中制备锶单原子，采用原子量子比特执行量子计算与量子模拟任务，同时研究该体系中丰富的多体效应，以及这些效应从少体到多体的涌现过程。在中性原子体系中，量子比特被编码在单个原子的内态能级上，通过微波或光学跃迁实现单量子比特操控，利用Rydberg阻塞效应或自旋交换碰撞实现多量子比特操控。该体系具有如下特点：1）与外界环境之间耦合微弱，相干时间长，不易受环境噪声影响；2）相邻原子间距离在微米量级，单个比特易于独立操控，串扰低；3）量子比特连接灵活可变，可任意调控和改变原子间距离、原子构型等；4）扩展性良好，可实现数百个到数千个量子比特。因此，中性原子体系被视为实现量子计算和量子模拟的有力的竞争平台之一。
    在微型光镊中制备和操控单个中性原子已经过近二十年的发展，前期科研人员普遍采用碱金属元素（Rb、Cs、Li），随着实验技术的发展，自2018年以来已将其扩展到（类）碱土金属元素（Sr、Yb）。这两种元素具有能级结构优势，有丰富的跃迁谱线，尤其是包含超窄线宽的钟跃迁，亚稳态具有长寿命。利用这两种元素进行量子计算和量子模拟研究，优势主要体现在两方面：1）将Sr和Yb原子从亚稳态激发到Rydberg态过程中，存在合适波长的光镊可以同时囚禁亚稳态和Rydberg态原子，因此可以有效抑制激发过程中多普勒效应引起的退相干，有望极大提高多量子比特操控保真度；2）在很多真实的材料中，电子会呈现自旋和轨道两个自由度，Sr和Yb两种元素利用基态和亚稳态可实现两轨道量子模型，模拟这类材料，同时核自旋和电子自旋有强烈的退耦合效应，费米子体系呈现核自旋SU(N)对称性，因此可以研究更丰富的多体效应，为研制新兴材料提供基础。


图1 实验室环境


    南科大量子院中性单原子阵列实验室正是着眼于这一新兴的、有广阔前景的领域，在微型光镊阵列中制备碱土金属Sr单原子体系，精确操控原子内部自由度和外部自由度，实现高保真度单量子比特操控、多量子比特操控，进一步执行量子计算和量子模拟任务，并研究该体系中丰富的物理现象。实验室地点位于福田保税区国际量子研究院，拥有约85平方米的恒温恒湿实验环境，于2020年9月1日正式启动，陆续入驻光学平台、激光器、真空系统等主要设备。

图2 实验装置

图3 实验进展


    截至2021年9月1日，在短短一年时间内，中性单原子阵列实验室经历了快速发展：2020年10月底，获得锶原子超高真空系统；2020年12月底，获得Sr-88二维磁光阱，看到第一步冷原子信号；2021年2月，实现三维磁光阱一级冷却，后续优化后原子数目约2.5*10^7，原子温度约3.3mK；2021年6月，实现三维磁光阱二级冷却，原子数目约1.0*10^6，原子温度约3.5μK；2021年8月，将光镊激光束强聚焦至束腰500nm，与冷原子团中心重合。目前，我们正试图在一个微型光镊中俘获一个Sr-88原子。后续，将依次实现玻色子Sr-88和费米子Sr-87单原子阵列，研究单量子比特操控、量子比特转移、谐振子运动态冷却、自旋交换碰撞、以及Rydberg态激发等。
    中性单原子阵列实验室目前共有全职研究人员1名、学生若干。我们热忱欢迎具有冷原子物理研究经验的青年科研人员和博士后加盟，也非常欢迎对冷原子实验有浓厚兴趣的学生联系我们。
    期待依靠我们共同的努力和进取，将中性单原子阵列实验室发展成为国内外该研究领域的中坚力量。


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尉石，yus3@sustech.edu.cn