A quantum processor based on coherent transport of entangled atom arrays.
A quantum processor based on coherent transport of entangled atom arrays.
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DOI：
10.1038/s41586-022-04592-6
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发表时间：
2022-04
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64.8
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中科院分区：
文献类型：
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作者：
在量子处理器内的所需量子位之间设计并行可编程操作的能力是构建可扩展量子信息系统的关键。在大多数最先进的方法中，量子位在本地相互作用，受到与其固定空间布局相关的连接性的约束。在这里，我们展示了一个具有动态非局部连接性的量子处理器，其中纠缠量子比特以高度并行的方式在两个空间维度上，在单量子比特和双量子比特操作层之间进行相干传输。我们的方法利用光镊捕获和传输的中性原子阵列;超精细态用于稳健的量子信息存储，激发到里德伯态用于纠缠产生。我们使用这种架构来实现可编程生成的纠缠图状态，如集群状态和七量子比特的Steane码状态。此外，我们穿梭纠缠辅助阵列，以实现一个表面的代码状态与13个数据和6个辅助量子比特和一个环面的代码状态与16个数据和8个辅助量子比特的环面。最后，我们使用这种架构来实现一个混合的模拟-数字演化，并使用它来测量量子模拟中的纠缠熵，实验观察与量子多体疤痕相关的非单调纠缠动力学。这些结果实现了一个长期的目标，为可扩展的量子处理提供了一条途径，并实现了从模拟到计量的应用。量子处理器是使用中性原子阵列实现的，这些中性原子在计算期间通过光镊以并行方式传输，并用于量子纠错和模拟。
The ability to engineer parallel, programmable operations between desired qubits within a quantum processor is key for building scalable quantum information systems. In most state-of-the-art approaches, qubits interact locally, constrained by the connectivity associated with their fixed spatial layout. Here we demonstrate a quantum processor with dynamic, non-local connectivity, in which entangled qubits are coherently transported in a highly parallel manner across two spatial dimensions, between layers of single- and two-qubit operations. Our approach makes use of neutral atom arrays trapped and transported by optical tweezers; hyperfine states are used for robust quantum information storage, and excitation into Rydberg states is used for entanglement generation. We use this architecture to realize programmable generation of entangled graph states, such as cluster states and a seven-qubit Steane code state. Furthermore, we shuttle entangled ancilla arrays to realize a surface code state with thirteen data and six ancillary qubits and a toric code state on a torus with sixteen data and eight ancillary qubits. Finally, we use this architecture to realize a hybrid analogue–digital evolution and use it for measuring entanglement entropy in quantum simulations, experimentally observing non-monotonic entanglement dynamics associated with quantum many-body scars. Realizing a long-standing goal, these results provide a route towards scalable quantum processing and enable applications ranging from simulation to metrology. A quantum processer is realized using arrays of neutral atoms that are transported in a parallel manner by optical tweezers during computations, and used for quantum error correction and simulations.
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