光晶格中中性原子对之间的受控交换相互作用

被光囚禁的超冷原子具有鲁棒的量子相干性和可控性，为量子信息处理和凝聚态物理中复杂问题的模拟提供了一个极具吸引力的系统。许多量子信息处理方案要求对单个量子比特进行操纵并使其确定性地相互纠缠，这一过程通常通过量子比特之间受控的、依赖于状态的相干相互作用来实现。最近的实验通过在光晶格中囚禁的原子系综展示纠缠，向这一目标取得了进展。然而，迄今为止，尚未演示一项关键操作：孤立原子对之间的受控纠缠。我们利用双阱势的光晶格来隔离和操纵成对原子阵列，在每对原子内诱导受控的纠缠相互作用。我们的实验首次实现了在中性原子系统中利用受控交换耦合的提议。虽然 $^{87}\text{Rb}$ 原子具有近乎与状态无关的相互作用，但当我们迫使两个原子处于同一物理位置时，这些全同玻色子的波函数交换对称性导致了依赖于状态的动力学。我们观察到占据不同振动能级的原子之间自旋的反复交换，其相干时间超过十毫秒。这一观察结果代表了中性原子中量子 SWAP 门基本组成部分的首次演示。SWAP 门的“半实现”，即 $\sqrt{\text{SWAP}}$ 门，具有纠缠能力，它与单量子比特旋转共同构成了量子计算的通用门集。