打破谷歌世界纪录！日本实现6.5纳秒超快双量子比特门
目前，日本国家自然科学研究所（NINS）团队将冷原子困在相隔一微米左右的光镊(tweezer，一种激光)中，利用特殊的10皮秒激光（一皮秒=一万亿分之一秒）来操纵原子，最终成功地执行了世界上最快的双量子比特门——操作时间仅6.5纳秒（一纳秒=十亿分之一秒）。
这种使用超快激光器操纵光镊捕获的冷原子技术，有望构建全新的量子计算机硬件，突破目前正在开发的超导、离子阱量子计算机的限制。
世界上最快的双量子比特门的概念图。在光镊（红光）中以一微米的间隔捕获的两个原子由仅照射10皮秒的超快激光脉冲（蓝光）操纵。
8月8日，相关成果以《纳秒时间尺度上两个里德堡原子之间的超快能量交换》为题[1]在《自然·光子学》上发表。
01
冷原子技术路线的革命性突破
冷原子量子计算机基于激光冷却和捕获技术，科学家能够用光镊将冷原子阵列排列成任意的形状，并单独观察每一个原子。这便可以组成量子计算机的基本构建——“量子比特”。
使用铷原子的量子比特示意图。
由于原子是天然的量子系统，它们可以很容易地存储量子比特信息。此外，这些原子与周围环境隔离得非常好，而且相互独立：一个量子比特的相干时间（“量子叠加”持续的时间）可以达到几秒钟。然后，通过激发原子的一个电子进入一个巨大的电子轨道——里德堡（Rydberg）轨道，来执行一个双量子比特门。
有了这些技术，冷原子平台已经成为量子计算机硬件最有希望的候选者之一。特别是，它具有革命性的潜力：与目前正在开发的超导和离子阱技术相比，它可以很容易地扩展到更大的规模，同时保持高度的一致性。因此，作为下一代量子计算机硬件，成功吸引了世界各地产业界、学术界和政府的关注。
02
最快门操作：快到可忽略噪声影响
量子门是构成量子计算的基本算术元素。它们对应于传统经典计算机中的逻辑门（如AND和OR），有操纵单个量子比特状态的单量子比特门和在两个量子比特之间产生量子纠缠的双量子比特门。双量子比特门是量子计算机高速性能的来源，在技术上具有挑战性。这次成功实现的是最重要的双量子比特门之一——“受控Z门”（CZ门），它根据第二个量子比特的状态（|0⟩或|1⟩）将第一个量子比特的量子叠加从0+1翻转到0-1。
量子门操作。当原子1处于|0⟩状态时，什么也没有发生；当原子1处于|1⟩状态时，原子2的叠加符号由正变为负。此操作是在量子计算机上运行的量子算法的核心。
量子门的精度（保真度）很容易被来自外部环境和工作激光的噪声所降低，这使得量子计算机的开发变得困难。由于噪声的时间尺度一般慢于一微秒（一微秒=百万分之一秒），如果能实现足够快的量子门，就可以避免噪声造成的计算精度下降，更利于实现通用量子计算机。因此，在过去的20年里，所有的量子计算机硬件都在追求更快的门操作[2]。
实验是用铷原子进行的。首先，用激光束将气相（gas phase）中的两个铷原子冷却到约1/100,000开尔文的超低温度，再用光镊以微米的间隔排列。然后，他们用仅有1/1000亿秒发光的超短激光脉冲照射它们，并观察发生了什么样的变化。两个分别被困在两个相邻原子（原子1和原子2）的最小轨道中的电子被打入巨大的电子轨道（里德堡轨道）。然后，这些原子之间的相互作用导致了轨道形状和电子能量发生周期性的、来回的交换，其周期为6.5纳秒。
在一次振荡之后，量子物理学定律决定了波函数的符号被翻转，从而实现双量子比特门。利用这一现象，团队用一个量子比特进行了量子门操作，其中5P电子状态为|0⟩状态，43D电子状态为|1⟩状态。原子1和2分别被制备为量子比特1和2，并使用超短激光脉冲诱导了能量交换。在一个能量交换周期（6.5纳秒）中，只有当量子比特1处于|1⟩状态时，量子比特2的叠加状态的符号才会逆转。研究团队通过实验观察到了这种符号翻转，从而证明了双量子比特门可以在6.5纳秒内运行，这是世界上最快的速度。
a）里德堡物理时间尺度；b）实验装置：780和480nm皮秒激光脉冲沿量子化轴(y)照射在被困在物镜焦点处的原子上，以将它们激发到里德堡状态；c）原子阵列的平均荧光图像；d）放大一对原子；e）所有原子平均值的拉曼边带光谱。
实验中的里德堡能级和单原子光谱。
这次实验制备了一对原子间距离低至1.5μm的里德堡原子、用冷原子硬件实现的6.5纳秒的超快门，比噪声快两个数量级以上，因此可以忽略噪声的影响。之前的世界纪录是15纳秒，由谷歌量子AI团队在2020年用超导电路实现。
03
下一步，改善激发保真度
研究团队此次将超快脉冲激光技术和最先进的原子控制与光镊相结合，制备了一对原子间距离低至1.5μm的里德堡原子，这些技术允许人们直接使用一对靠近的里德堡原子之间的强相互作用，远远超出了通常的里德堡机制所能达到的效果：比迄今为止任何其他里德堡实验快100倍以上。
冷原子量子计算机具有革命性的潜力：可以很容易地扩大到更大的规模、同时保持高相干性，因此，世界各国政府将其作为下一代量子计算机的硬件。迈向超快门操作的下一步，将是用更稳定的自制系统取代商用激发激光器，以改善激发保真度问题。
参考链接：
[1]https://www.nature.com/articles/s41566-022-01047-2
[2]https://scitechdaily.com/worlds-fastest-2-qubit-gate-breakthrough-for-the-realization-of-ultrafast-quantum-computers/