美国国家标准技术研究院(NIST)的物理学家通过连接或“纠缠”带电原子和带电分子,增强了他们在量子水平上对分子基本性能的控制,展示了一种构建混合量子信息的方法,这种系统可以操纵、存储和传输不同形式数据的系统。

5月20日发表在《自然》[1]杂志上的一篇论文描述了这种新的 NIST 方法,该方法可以可以通过基于不兼容的硬件设计和操作频率将量子比特(qubits)连接起来,帮助建立大规模量子计算机和网络。混合平台量子系统可以提供像传统计算机系统一样的多功能性,例如,可以在电子处理器,光盘和磁性硬盘驱动器之间交换数据。

 

首次实现分子与原子的混合量子系统,NIST助力构建大规模量子计算机-量子客
(来源:Nature)

 

NIST实验成功地将原子离子中电子的性质与分子的旋转状态纠缠在一起,因此对一个粒子的测量将控制另一个粒子的性质。 这项研究建立在同一研究小组2017年对分子量子控制的演示的基础上[2],该演示将长期以来用于操纵原子的技术扩展到由多个原子结合在一起构成的分子所提供的更复杂、潜在更有成效的领域。

分子具有各种内部能级,例如原子,但也以许多不同的速度和角度旋转和振动。因此,分子可以作为量子系统中的媒介,将量子信息转换成每秒几千到几万亿个周期的量子比特频率。通过振动,分子可以提供更高的量子比特频率。

NIST物理学家James Chin-wen Chou表示:“我们证明了原子离子和分子离子之间存在纠缠,并且还显示了分子中存在大量的量子比特频率选择。”

首次实现分子与原子的混合量子系统,NIST助力构建大规模量子计算机-量子客
(实验示意图,来源:Nature)

 

量子比特以两个不同的量子状态(例如原子中的低能级和高能级)表示数字数据位0和1。1个量子比特也可以同时存在于两种状态的“叠加”中。NIST研究人员将钙原子离子的两个能级与氢化钙分子离子的两个不同的旋转状态对缠结在一起,氢化钙分子离子是结合到氢原子上的钙离子。分子量子比特具有一个跃迁频率(两种旋转状态之间的循环速度),要么是低能量13.4kHz,要么是高能量,每秒8550亿周(千兆赫GHz)。

论文作者表示:“分子提供了一系列的跃迁频率,我们可以从多种类型的分子中进行选择,所以我们可以将大范围的量子比特频率带入量子信息科学。”

实验采用不同强度、不同方向、不同脉冲序列的蓝光和红外激光束的特定公式,对离子的量子态进行冷却、纠缠和测量。

 

首次实现分子与原子的混合量子系统,NIST助力构建大规模量子计算机-量子客
(能级和选定的激光驱动过渡,来源:Nature)

 

NIST的研究人员通过两组分子的旋转特性演示了该技术,低能对(量子比特)成功地实现了87%的纠缠,高能对成功地实现了76%的纠缠。在低能情况下,分子以两个略微不同的角度旋转,就像陀螺一样,但同时处于两种状态。在高能情况下,分子以两个速率同时旋转,但速度相差很大。

新方法可用于由不同元素组成的各种分子离子,从而提供了多种量子比特的特性。

该方法可以连接以不同频率工作的不同类型的量子比特,例如原子和超导系统,或光粒子,包括电信和微波元件。

这里带来的思路量子计算的大规模集成是巨大的挑战,正如段路明教授在2020年5月21日线上讨论会《量子计算机——现状与未来》提到,目前量子计算机在300量子比特内实现起来只是工程方面的问题,但要继续突破,需要新的解决方案。

本文提到的方法可以给行业的探索者们提供一些思考线索,是否在大规模量子比特的量子计算机里可融合不同的量子比特,从而为大规模量子比特的设备提供解决方案。

当然,除了在量子信息中的应用外,该新技术还可用于制造量子传感器或执行量子增强化学。

 

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作者 | Jany Hu          编辑 Sakura