近年来，无缺陷的中性原子阵列因其高扩展性和高可编程性的特点，成为了受到广泛关注的量子模拟和计算平台。为了获得无缺陷的阵列，需要对初始随机装载的原子进行重新排列，以达到目标构型。重排的总时间成本包括原子检测、原子占据分析、重排策略制定、驱动波形生成和原子移动等步骤。然而，随着阵列规模的增大，重排的时间成本会增加，而被光镊囚禁的原子也更容易逃逸。这成为了阻碍更大规模阵列实现的基本限制之一。

       目前绝大多的重排系统采用电脑、图像采集卡和任意波形发生器的结构，需要通过电脑接收相机发来的数据、分析原子位置分布、通过算法决定如何将初始的随机分布的原子分配到目标位置、再生成相应的射频信号来驱动原子的移动。为了进一步降低时间消耗，陈文兰课题组设计了一种基于现场可编程门阵列（FPGA）的新型控制系统，在单芯片上实现图像采集、占据数分析、算法决策、任意波形生成和原子移动控制（图１（ａ））。

图１：（ａ）重排控制流。（ｂ）系统的典型时序。

       同时，他们还提出了一种新的名为“俄罗斯方块算法”的重排算法，可以实现二维任意几何结构的并行重排。对L×L的目标构型，总的移动步数最高为2L（图２），相比于之前的算法有标度上的优势；且无需等待相机读出整张图片就可以开始重排。

图２：俄罗斯方块算法的图解。（ａ）算法举例：从6×6的初始装载到4×4的目标构型。（b）：不同目标原子数下的时间消耗。

       这些特性使得所有的模块可以流水线式地工作，在重新排列过程中节省大量时间。通过测试，发现可以快速重新排列原子阵列（图２（ｂ）），使得实现室温下1000个原子、低温环境下10000个原子的无缺陷阵列成为可能。该重排系统是对目前中性原子量子计算平台的重要改进，并可立即应用于当前的量子计算机中，并为量子反馈、线路中操作等量子操控技术提供了新的解决方案。

       该研究成果以“Accelerating the Assembly of Defect-Free Atomic Arrays with Maximum Parallelisms”为题发表于 Physical Review Applied（Phys. Rev. Applied 19, 054032）。清华大学物理系的陈文兰教授为该工作的通讯作者，清华大学物理系2019级博士生王帅，2022级博士生张文军和2020级博士生张韬为该工作的共同第一作者。参与者包括清华大学胡嘉仲教授、本科生梅树尧、博士生王雨晴。该成果获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金等部门的经费支持和帮助。

       文章链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevApplied.19.054032