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QC观察丨量子计算:原子钟可以提供更持久的量子比特

铯原子和激光阱可提供更强大的量子计算机类型

QC观察丨量子计算:原子钟可以提供更持久的量子比特

明亮的量子比特:激光器将铯原子固定在一个5乘5的网格中,用于在宾夕法尼亚州建立的中性原子量子计算机原型。原子的量子态可用于存储信息。

十年前,量子计算仍然是一种纸上谈兵的室内游戏。量子计算机倡导者可以对一种有前景的技术做出大胆的宣称,因为还没有人想出如何将一些量子比特串联起来。

但此一时彼一时。IBM现在有一个50量子比特的机器,英特尔有49个量子比特的机器,谷歌开发了一个72量子比特的设备。9月,宾夕法尼亚州立大学的研究人员宣布他们已经为125个量子比特的计算引擎构建了框架。

然而,与IBM、英特尔和谷歌更成熟的设备不同,宾夕法尼亚州立大学的概念验证系统的基础元件不是计算机芯片,而是原子钟。

由宾夕法尼亚州立大学和世界各地的其他研究人员提出的中性原子量子计算机使用激光阱中的铯原子(精密计时的金标准)作为计算引擎所依据的量子比特。

宾夕法尼亚州立大学物理学教授David Weiss说:“我们所理解的量子力学系统并不比原子更好。”他的小组在《自然》杂志上发表了一篇论文,宣称他们使用激光来悬浮和冷却立方体形状的125个铯原子,每个原子与相邻原子相距5微米。(量子比特可以加载、冷却和屏蔽干扰。但是该小组还没有开发出使其运行所必需的逻辑门或纠错。)

原子钟使用这些经过充分研究的超冷和稳定的原子特性作为标记时间流逝刻度的基础。它被称为超精细分裂,涉及每个原子最外层电子的自旋。(今天普遍定义的一秒是由铯中超精细分裂产生的9,192,631,770个辐射周期。)

对于量子计算机,其想法是使用原子钟使用的同一组铯量子态。但是,作为量子计算机的一部分,铯原子依赖于原子钟中未使用的量子特性。像所有量子比特一样,铯原子量子计算机中的那些可以占据一个超精细状态(称之为0)或一个稍高的能态(称之为1),或者在量子计算的核心处于一个既有一个比特0又有一个比特1的中间状态——称为量子叠加。

要使用原子阵列进行量子计算,原子必须被纠缠。为了实现这一目标,Weiss 解释说,激光小心地将125个量子比特3D阵列中的单个原子踢入高度激发的电子状态,然后将其冷却下来。他说,整个系统是如此敏感,以至于目标原子附近的铯原子都能到感知它的激发和去激发,这足以缠绕阵列中至少一部分原子。

QC观察丨量子计算:原子钟可以提供更持久的量子比特

原子级:这些图像显示了由激光器控制的网格中铯原子的各种配置。发光点的存在表明原子被困在原地。缺少点表示停泊位置空置。图片来源:Weiss Laboratory / Penn State

威斯康星大学麦迪逊分校的物理学教授Mark Saffman说,他的小组可以将被困铯原子的二维阵列维持其微妙的量子态10秒或更长时间(Saffman指出这个数字来自Weiss的研究小组)。相比之下,典型的操作(比如,将一组量子比特乘以另一组量子比特)可能需要一微秒或更短的时间。因此,Saffman说,在量子态由于噪声而崩溃之前,这个系统的潜力是固有的。他说:“通过使用激光束将这些原子量子比特激发到高激发态,我们可以随意开启非常强烈的相互作用。”

马里兰大学的物理学教授William Phillips以及1997年诺贝尔物理学奖的研究人员在激光原子阱方面的研究表明,中性原子量子计算仍有一些取舍,这使其成为一个挑战。

“缺乏远程的强库仑相互作用意味着更容易将大量原子放入小体积中,但这也意味着操纵原子更难——即快速执行量子门更难。”Phillips说。

然而,总部位于科罗拉多州博尔德市的ColdQuanta首席执行官Dana Anderson表示,由于单个原子可以可靠地稳定并冷却到100毫微开尔文(nanokelvin)以下,因此大部分基础科学已经就位。Anderson说,ColdQuanta正在努力实现Saffman和Weiss关于中性原子作为量子计算机或模拟器基础的愿景。

“一旦你能够将原子冷却到那个温度,我们就可以看到很多量子技术,”Anderson说,“无论我们是在做量子时钟还是量子计算,里面的东西都是一样的。”

Weiss表示,在目前的技术下,他的3D阵列可能扩展到1,728个量子比特,排列成12列和12行。然而,在他的小组和其他人一起开发出更强的纠错措施之前,对于这么多量子比特,我们几乎无能为力。

从长远来看,Weiss的3D阵列,亦或是Saffman和ColdQuanta首选的2D阵列谁更可行,仍然是一个悬而未决的问题。现在,“我认识到这些问题是可以解决的,” Anderson说,“这在很大程度上是一项工程挑战。”

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