加州理工大学研究团队采用一种与原子种类无关的擦除校正冷却机制（Erasure correction cooling，ECC），使原子以高保真度冷却至运动基态，并且该机制可有效擦除由运动激发引起的错误，超越了传统边带冷却技术，首次实现对光镊中的原子运动进行相干控制，为量子信息编码开辟全新方式。相关成果于5月22日发表在《科学》杂志上。
基于中性原子的量子平台迄今为止一直以电子或核状态来编码量子信息，但这些状态容易受到环境噪声的影响。原子的运动状态理论上也可用来编码量子信息，而且原子运动状态并不受电磁场影响，意味着其受环境影响更小。原子运动状态的玻色子性质也使其可用于实现具有玻色子自由度的量子纠错方案，如Gottesman-Kitaev-Preskill（GKP）码，或作为研究晶格规范理论的平台等。此外，原子运动状态独立于电子或核状态，使得在多个自由度上（例如运动状态和电子态）独立编码量子信息成为可能。这种不同量子比特载体通过两个或多个自由度纠缠在一起的现象叫做超纠缠，之前仅在光子量子比特中得以实现。使用原子运动状态编码量子信息的难点在于使原子处于基态的高效的冷却方案尚未实现，本研究针对此困境提出了ECC（擦除校正冷却）机制，并在此基础上实现用原子运动状态编码量子信息。
研究中提出的ECC方法，通过将运动激发转换为可检测的擦除错误来进行主动校正。首先使用Sisyphus冷却将原子初始冷却到运动基态，初始填充率约为0.77。之后通过1S0和3P0之间的跃迁进行边带转换，将剩余的运动激发转换为擦除错误。最后，通过荧光成像检测运动激发的原子，并通过重置方法或替换方法来进行错误校正。原子的运动基态填充率提高到约0.93（重置方法）和约0.995（替换方法）。其中替换方法对初始冷却温度不敏感，即使在最低初始填充率下也能达到高保真度。
之后研究团队使用由ECC方法产生的基态原子阵列，通过将原子局域储存在运动叠加态中，实现对光学跃迁的中间电路读出和擦除检测，验证了运动叠加态的相干性和擦除校正的有效性。运动叠加态对激光相位噪声不敏感，在量子信息存储中有巨大的潜在应用价值。
研究团队在此基础上通过Rydberg相互作用使两个独立的光镊中的原子之间生成运动纠缠，运动贝尔态保真度约为0.75。研究团队进一步通过超纠缠操作生成了同时包含运动和电子态纠缠的超贝尔态，其保真度约为0.855。
本文通过擦除校正冷却方法，首次实现了光镊中原子的高保真度运动基态冷却，并在此基础上演示了中间电路读出、擦除检测以及运动纠缠和超纠缠的生成。这些结果为利用原子的运动状态进行量子信息处理提供了新的思路和方法。未来可以进一步扩展到多轴运动控制和更高维度的量子操作，以实现更复杂的量子信息处理任务。
论文链接：
https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.adn2618?af=R