中性原子阵列中量子位的鲁棒控制与纠缠
量子物理
2026-01-21 v2 原子物理
摘要
由具有两个以上稳定能级的基础组件构成的量子器件——即量子位 (qudit)——丰富了可访问的希尔伯特空间，使应用范围从容错量子计算到模拟复杂多体模型不等。虽然多个量子平台由配备丰富稳定能谱的局域元件构建而成，但高效控制和纠缠量子位的方案却十分稀缺。重要的是，到目前为止，在中性原子阵列中尚未实现多量子位控制的实验演示。在此，我们提出了一种控制和纠缠量子位的通用方案，并对编码在碱土金属原子基态和亚稳态中的三能级量子位 (qutrit) 情况进行了完整分析。我们发现通过同时驱动多个跃迁频率可以高效实现单量子位门。对于纠缠操作，我们为任意局域维度 的受控-Z (CZ) 门提供了一个具体且直观的方案，通过交替的单量子位脉冲和纠缠脉冲实现，这些脉冲同时驱动多达两个里德伯跃迁。我们进一步证明，两个同时的里德伯频率通常是使用全局驱动实现 CZ 门所需的最小数量。我们所用的脉冲是最优控制的、平滑的，并且对真实的实验缺陷具有鲁棒性，我们通过广泛的噪声模拟进行了验证。这相当于实现通用门集的最小、资源高效且实用的方案。我们在中性原子阵列中原生控制量子位的方案为基于量子位的量子计算提供了一条高保真度的途径，可随时在近期设备上实现。
引用
@article{arxiv.2508.16294,
title = {Robust Control and Entanglement of Qudits in Neutral Atom Arrays},
author = {Amir Burshtein and Shachar Fraenkel and Moshe Goldstein and Ran Finkelstein},
journal= {arXiv preprint arXiv:2508.16294},
year = {2026}
}
备注
17 pages, 7 figures. The first two authors contributed equally to this work