双量子位门：实现超快量子计算机的突破
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TAKAFUMI TOMITA/INSTITUTE FOR MOLECULAR SCIENCE
量子计算机理论上可以解决常规计算机无法解决的问题。然而，大多数量子计算机的关键成分是量子比特，或量子纠缠结合在一起的量子比特，极易受到周围环境的破坏。现在，日本的科学家已经成功执行了世界上最快的双量子位门，其运行时间仅为6.5纳秒（1纳秒为十亿分之一秒）。
经典的计算机通过接通或关断晶体管来将数据符号化为1或0。相比之下，量子计算机使用量子比特或量子位，由于量子物理的奇怪性质，它们可以以一种称为叠加的状态存在，在这种状态下它们同时为1和0。这基本上允许每个量子位同时执行两个计算。
然而，众所周知，量子计算机对于外部干扰，如电子、离子或热涨落非常脆弱。这意味着当今最先进的量子计算机极易出错，通常大约每1000次操作就会出现一次错误。相反，许多实际应用要求错误率降低十亿倍或更多。
“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
处理量子计算机中噪声影响的一种方法是加快它们执行称为量子门的基本操作的速率，量子门是传统计算机用于执行计算的逻辑门的量子计算版本。量子门因噪声而出错的几率随着时间的推移而变化，运行得越快，失败的概率就越低。
在这项新的研究中，研究人员对由中性带电的铷原子组成的量子位进行了实验。与其他量子计算平台相比，中性原子作为量子位可能具有许多好处。
例如，基于原子的量子位受益于这些粒子几乎完全相同的方式。相比之下，基于器件的量子位，如谷歌和IBM在量子计算机中使用的超导电路，必须应对制造过程中不可避免的这些组件之间的变化所导致的问题。
另一个吸引了越来越多兴趣的量子计算平台使用电磁俘获的带电离子。然而，离子相互排斥，使得它们难以以密集的方式堆叠。相比之下，科学家可以将中性原子更紧密地聚集在一起。
此外，中性原子缺乏电荷意味着它们不容易与其他原子相互作用。这使它们对噪声更具免疫力，意味着它们可以在相对较长的时间内保持一致或叠加。例如，今年5月，总部位于加州伯克利的量子计算初创公司Atom Computing透露，他们可以将中性原子量子位保持约40秒的相干，这是商业平台上有史以来最长的相干时间。此外，中性原子可以用激光冷却，而不是像超导电路这样的其他量子比特平台所需要的庞大制冷。
科学家们首先用激光束阵列捕获并冷却中性原子。接下来，他们使用这些激光激发电子到远离原子核的所谓Rydberg轨道。由此产生的“Rydber原子”可能是基态原子的数百到数千倍。
日本国立自然科学研究院分子科学研究所（IMS）的量子物理学家、研究高级作者Kenji Ohmori表示，理论上，Rydberg轨道的巨大性质可以导致Rydberg原子强烈体验相互作用，如相互纠缠，从而实现快速量子门。然而，由于对原子位置的严格要求等因素，以前没有人意识到这种可能性。
在新的研究中，研究人员使用激光束控制原子之间的距离，精确到30纳米。他们还将原子冷却到绝对零度以上约1/100000度的超低温，以减少热量引起的任何抖动。
接下来，研究人员使用持续时间仅为10皮秒-万亿分之一秒的超短激光脉冲，同时将一对原子激发到Rydberg态。这使得他们可以在6.5纳秒内执行量子门，将量子比特纠缠在一起，使其成为迄今为止最快的量子门。（之前量子门的速度纪录是15纳秒，由谷歌在2020年用超导电路实现。）
“我们可以在全新的时间尺度上操纵Rydberg原子，它重新定义了利用这个平台可以做什么，”该研究的合著者、分子科学研究所的量子物理学家Sylvain de Leseleuc说。
Rydberg原子量子计算机通常会经历每微秒百分之几的噪声错误率，de Leseleuc表示。这种新的两量子位门的速度是这个错误率的数百倍，这表明使用这种策略构建的量子计算机可能会忽略噪声的影响。
尽管研究人员可以将Rydberg原子间隔在1.5到5微米之间，但他们最终选择了大约2.4µm的距离。“Rydberg原子之间的相互作用越紧密，就越强，”de Leseleuc说。他解释说，这意味着较短的距离将导致更快的门对外部噪声不太敏感，但更难控制，而较长的距离将使较慢的门对外界噪声更敏感，但不太难控制。
de Leseleuc说，未来的工作目标可能是更快、更可靠地使用更稳定的激光器，其能量波动小于这些实验中使用的商业设备。
Ohmori说：“我们正在为Rydberg原子开辟一个新的游乐场，我们可以称之为‘超快Rydberg物理学’和‘超快Rydberg量子工程’。”
科学家们在8月8日的《自然光子学》杂志上详细介绍了他们的发现。
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