中性原子阵列是一个很有前途的量子模拟平台。Loh Huanqian 助理教授和她的团队可以精确地组装大型单捕获铷原子阵列，如这些具有任意几何形状的阵列的单次图像所示：（从左到右）kagome、蜂窝和狮子头，这是新加坡的国家象征。

这些图像中的发光点是单个铷原子，它们原始地排列成大约与人的头发一样宽的阵列。CQT 首席研究员 Loh Huanqian 的团队拍摄了这些照片，以展示他们如何将原子组装成任何图案，甚至是组装成新加坡的狮子头符号，在15乘15的三角形网格内拟合。研究人员在2023年3月15日发表在《物理评论应用》上的一篇论文中描述了实现这一目标的设置和新算法。

研究人员热衷于研究中性原子阵列，因为就像乐高积木可以组装成原型建筑一样，原子阵列可以用来对材料进行强大的量子模拟。科学家们已经使用超级计算机来计算材料的性质，但是如果你试图模拟更多的粒子，计算很快就会变得棘手。有了原子阵列，科学家可以直接对材料进行建模。

CQT 小组的方法使他们能够在室温下可靠地实现 225 个原子的最先进的无缺陷阵列尺寸。图案的完美很重要，因为已发现阵列中的缺陷或原子缺失会恶化量子模拟中观察到的信号。

原子平行排列

为了组装原子阵列，该团队首先使用激光束(也称为光镊)捕获原子。捕获单个原子涉及到一个偶然因素，所以并不是每个镊子都能成功地装载一个原子。这意味着，即使研究人员从400个镊子组成的阵列开始，他们最终也会得到一个充满缺陷的原子阵列。下一步，他们实时重新排列原子，形成一个更小、无缺陷的目标阵列。

这是该团队的方法与现有方法不同的地方。以前重新排列原子的努力主要集中在计算出所需的最小移动次数后，使用一个额外的光镊一次移动一个原子。原子不会永远留在它们的陷阱中，因此尽量减少移动次数以及重新排列所需的时间，会增加实现无缺陷阵列的可能性。

Huanqian 和她的小组成员开发了一种系统，该系统通过用多个镊子平行移动许多原子来加速重排。在他们的实验中，最多可使用 15 个移动镊子同时移动原子以生成无缺陷阵列。所涉及的移动镊子的最大数量可以由用户指定。

“一次移动一个原子就像用一根手指弹钢琴，”该论文的第一作者Weikun说。“在我们的协议中，我们使用更多的手指，可以更快地弹奏钢琴，这节省了很多时间。例如，如果我们有 100 个原子要移动，而不是一次移动 100 个原子，我们可以移动 10 个原子一次。这意味着我们的移动次数减少了十倍。”

为了实现这一目标，研究人员设计了一种新的算法来计算该做什么动作。

战略举措

该算法的输入来自原子最初加载方式的图像。图像被转换为​​二进制矩阵，值 1 和 0 表示原子是否成功捕获在镊子中。研究人员还指定了目标阵列。

重排策略由两部分组成。首先是行排序。在此过程中，行中的原子在列中重新分配，使得每列具有目标阵列中所需的原子数。第二种是将原子移动到目标位置的列压缩过程。

为了确保原子在移动过程中不会发生碰撞，否则可能会将它们从阵列中剔除，该小组指定该算法应始终以相同的速度移动原子并保持它们的顺序。

完成计算后，算法与硬件通信。光镊充当机械臂，逐行重新排列原子，然后逐列重新排列。该小组将他们的算法称为并行排序和压缩算法，它可以比眨眼更快地完成阵列组装。

“编码是实验中最困难的部分之一，”Weikun说。“我们的算法看到了整个画面，一次性设计了整个动作，确保没有碰撞，然后进行操作。”

凭借他们的新算法，该小组通过实验实现了无缺陷的 225 原子阵列，成功概率为 33%，这是室温设置文献中报道的最高成功概率之一。该团队希望他们的成功概率可以通过更安静和更强大的激光源来提高。

“我们已经证明，我们可以将我们的算法应用于任意几何形状，例如蜂窝、kagome 和 link-kagome，这对于研究石墨烯、超导体或量子自旋液体等不同的先进材料很有趣，”Huanqian 说。“为了表明我们在新加坡做到了这一点，我们还重新排列了单个原子以形成狮子头符号。” 狮头标志于 1986 年作为新加坡国家标志引入，象征着勇气、力量和卓越。

参考链接：

https://phys.org/news/2023-04-quantum-scientists-state-of-the-art-defect-free-atom.html

https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.19.034048