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TAKAFUMI TOMITA/INSTITUTE FOR MOLECULAR SCIENCE

量子計(jì)算機(jī)理論上可以解決常規(guī)計(jì)算機(jī)無法解決的問題。然而，大多數(shù)量子計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵成分是量子比特，或量子糾纏結(jié)合在一起的量子比特，極易受到周圍環(huán)境的破壞。現(xiàn)在，日本的科學(xué)家已經(jīng)成功執(zhí)行了世界上最快的雙量子位門，其運(yùn)行時間僅為6.5納秒（1納秒為十億分之一秒）。

經(jīng)典的計(jì)算機(jī)通過接通或關(guān)斷晶體管來將數(shù)據(jù)符號化為1或0。相比之下，量子計(jì)算機(jī)使用量子比特或量子位，由于量子物理的奇怪性質(zhì)，它們可以以一種稱為疊加的狀態(tài)存在，在這種狀態(tài)下它們同時為1和0。這基本上允許每個量子位同時執(zhí)行兩個計(jì)算。

然而，眾所周知，量子計(jì)算機(jī)對于外部干擾，如電子、離子或熱漲落非常脆弱。這意味著當(dāng)今最先進(jìn)的量子計(jì)算機(jī)極易出錯，通常大約每1000次操作就會出現(xiàn)一次錯誤。相反，許多實(shí)際應(yīng)用要求錯誤率降低十億倍或更多。

“We can manipulate [neutral atom qubits] on completely new timescales, and it redefines what can be done with this platform.”
—Sylvain de Leseleuc, the Institute for Molecular Science, Okazaki, Japan

處理量子計(jì)算機(jī)中噪聲影響的一種方法是加快它們執(zhí)行稱為量子門的基本操作的速率，量子門是傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)用于執(zhí)行計(jì)算的邏輯門的量子計(jì)算版本。量子門因噪聲而出錯的幾率隨著時間的推移而變化，運(yùn)行得越快，失敗的概率就越低。

在這項(xiàng)新的研究中，研究人員對由中性帶電的銣原子組成的量子位進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。與其他量子計(jì)算平臺相比，中性原子作為量子位可能具有許多好處。

例如，基于原子的量子位受益于這些粒子幾乎完全相同的方式。相比之下，基于器件的量子位，如谷歌和IBM在量子計(jì)算機(jī)中使用的超導(dǎo)電路，必須應(yīng)對制造過程中不可避免的這些組件之間的變化所導(dǎo)致的問題。

另一個吸引了越來越多興趣的量子計(jì)算平臺使用電磁俘獲的帶電離子。然而，離子相互排斥，使得它們難以以密集的方式堆疊。相比之下，科學(xué)家可以將中性原子更緊密地聚集在一起。

此外，中性原子缺乏電荷意味著它們不容易與其他原子相互作用。這使它們對噪聲更具免疫力，意味著它們可以在相對較長的時間內(nèi)保持一致或疊加。例如，今年5月，總部位于加州伯克利的量子計(jì)算初創(chuàng)公司Atom Computing透露，他們可以將中性原子量子位保持約40秒的相干，這是商業(yè)平臺上有史以來最長的相干時間。此外，中性原子可以用激光冷卻，而不是像超導(dǎo)電路這樣的其他量子比特平臺所需要的龐大制冷。

科學(xué)家們首先用激光束陣列捕獲并冷卻中性原子。接下來，他們使用這些激光激發(fā)電子到遠(yuǎn)離原子核的所謂Rydberg軌道。由此產(chǎn)生的“Rydber原子”可能是基態(tài)原子的數(shù)百到數(shù)千倍。

日本國立自然科學(xué)研究院分子科學(xué)研究所（IMS）的量子物理學(xué)家、研究高級作者Kenji Ohmori表示，理論上，Rydberg軌道的巨大性質(zhì)可以導(dǎo)致Rydberg原子強(qiáng)烈體驗(yàn)相互作用，如相互糾纏，從而實(shí)現(xiàn)快速量子門。然而，由于對原子位置的嚴(yán)格要求等因素，以前沒有人意識到這種可能性。

在新的研究中，研究人員使用激光束控制原子之間的距離，精確到30納米。他們還將原子冷卻到絕對零度以上約1/100000度的超低溫，以減少熱量引起的任何抖動。

接下來，研究人員使用持續(xù)時間僅為10皮秒-萬億分之一秒的超短激光脈沖，同時將一對原子激發(fā)到Rydberg態(tài)。這使得他們可以在6.5納秒內(nèi)執(zhí)行量子門，將量子比特糾纏在一起，使其成為迄今為止最快的量子門。（之前量子門的速度紀(jì)錄是15納秒，由谷歌在2020年用超導(dǎo)電路實(shí)現(xiàn)。）

“我們可以在全新的時間尺度上操縱Rydberg原子，它重新定義了利用這個平臺可以做什么，”該研究的合著者、分子科學(xué)研究所的量子物理學(xué)家Sylvain de Leseleuc說。

Rydberg原子量子計(jì)算機(jī)通常會經(jīng)歷每微秒百分之幾的噪聲錯誤率，de Leseleuc表示。這種新的兩量子位門的速度是這個錯誤率的數(shù)百倍，這表明使用這種策略構(gòu)建的量子計(jì)算機(jī)可能會忽略噪聲的影響。

盡管研究人員可以將Rydberg原子間隔在1.5到5微米之間，但他們最終選擇了大約2.4μm的距離。“Rydberg原子之間的相互作用越緊密，就越強(qiáng)，”de Leseleuc說。他解釋說，這意味著較短的距離將導(dǎo)致更快的門對外部噪聲不太敏感，但更難控制，而較長的距離將使較慢的門對外界噪聲更敏感，但不太難控制。

de Leseleuc說，未來的工作目標(biāo)可能是更快、更可靠地使用更穩(wěn)定的激光器，其能量波動小于這些實(shí)驗(yàn)中使用的商業(yè)設(shè)備。

Ohmori說：“我們正在為Rydberg原子開辟一個新的游樂場，我們可以稱之為‘超快Rydberg物理學(xué)’和‘超快Rydberg量子工程’。”

科學(xué)家們在8月8日的《自然光子學(xué)》雜志上詳細(xì)介紹了他們的發(fā)現(xiàn)。

文章來源：IEEE電氣電子工程師

IEEE Spectrum

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雙量子位門：實(shí)現(xiàn)超快量子計(jì)算機(jī)的突破