近日，國家重大科學研究計劃項目“囚禁單原子（離子）與光耦合體系量子態(tài)的操控”實現(xiàn)了一種新型的魔幻光阱——魔幻光強偶極阱，將囚禁在該微型光阱中的單個中性原子量子比特的相干時間延長上百倍，從毫秒量級提高至百毫秒量級。

囚禁在光阱中的單個中性原子及原子陣列是量子信息處理與量子模擬的物理候選體系之一。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，利于制備大規(guī)模單原子陣列。在大規(guī)模的中性原子寄存器中實現(xiàn)量子信息處理，關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一就是單量子比特的相干性在陣列的不同格點中轉(zhuǎn)移時能夠很好地保持。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，產(chǎn)生微分光頻移。微分光頻移是引發(fā)單原子量子比特轉(zhuǎn)移中相干性丟失的主要因素，是通常的動力學退耦的方法難以解決的問題。這一難題限制了大規(guī)模中性原子量子信息處理平臺的實現(xiàn)與應用。

研究人員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，通過控制矢量激光場和原子間的微弱相互作用，構(gòu)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。研究人員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(zhuǎn)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)量子比特的相干性沒有因為轉(zhuǎn)移而丟失。這一重要成果在《物理評論快報》（Phys.Rev.Lett.117, 123201, 2016）上發(fā)表，為下一步利用囚禁在光偶極阱陣列中的單原子構(gòu)造可擴展的量子信息處理器奠定了基礎(chǔ)。