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?,F(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。
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?!癛ydberg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’。”
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原文標(biāo)題:雙量子位門:實(shí)現(xiàn)超快量子計(jì)算機(jī)的突破
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