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在全球争相建造实用型量子计算机的竞赛中，基于超导电路或俘获离子的量子比特的量子计算机目前处于领先地位。近日，日本冈崎国立自然科学研究所的团队在科学杂志《自然·光子学》上发表研究成果称，大幅提升了作为性能远高于目前计算机的“量子计算机”核心的算术元素“双量子位门”速度（Nat. Photon., doi: 10.1038/s41566-022-01047-2）。他们表示，该研究成果是迄今为止全球最快的双量子位逻辑门，其中包括一对由由超短激光脉冲激发的超冷铷原子，它们由光镊保持在几微米之内。
图 研究人员展示了两个相距几微米的铷原子暴露在超短激光脉冲下，如何在6.5ns内作为受控Z门工作。
开发量子计算机的一个重要挑战是其量子态的脆弱性。原则上，因为中性原子相对于其他方法可以更长时间地保持叠加态，能够制造出色的量子比特。但美中不足的是，中性原子逻辑门的工作速度还不足以确保在量子位退相干之前能够很好地执行操作，造成该现象的原因可能与激光噪声、热辐射甚至电磁量子涨落有关。
截至目前为止，双量子比特门的速度记录一直由谷歌保持，该公司在2020年表示，它可以在15ns内完成超导电路的操作。相比之下，中性原子逻辑门倾向于在微秒时间尺度上工作。它们涉及到包含多个被激发到高能态电子的里德堡原子，但在这之前要依赖于一种被称为里德堡阻塞的现象——它可以产生非常明确的状态但速度很慢。
在最新的研究中， Kenji Ohmori、Sylvain de Léséleuc 及其同事转而研究了里德堡原子对之间的超快相互作用。他们通过将 铷-87 原子气体冷却到千万分之一开尔文，然后使用光镊将原子之间的距离控制在 1.5
5 微米之间。然后，他们利用10-11 秒的激光脉冲，以在远短于里德堡封锁的时间尺度上激发成对的相邻原子同时进入里德堡态。
电子从铷的第 5 轨道被激发到第 43 轨道，产生了经历偶极-偶极相互作用的巨大原子。两个原子之间的轨道形状和电子能量的交换，周期仅持续 6.5 ns，并以电子波函数符号的翻转结束。
Ohmori 及其同事利用这一现象设计了一种称为受控 Z 门的双量子比特门。如果第二个量子位处于状态 1，此逻辑门就会将一个量子位的量子叠加态从 0+1 翻转到 0-1，反之亦然。在这种情况下，状态1对应的电子位于第43轨道，而对于状态0，电子位于最初的第5轨道。
研究人员称，第一个量子位的叠加态确实只有在第二个量子位处于状态 1 时才会翻转，因此逻辑门的操作时间仅为 6.5 ns。据Ohmori 及其同事认为，由中性原子量子比特构建的量子计算机将具有“革命性潜力”， 因为它可以在保持长相干时间的同时很容易地放大。他们认为，该技术“作为下一代量子计算机硬件正在吸引全球工业界、学术界和政府的关注。”
然而，研究人员表示，在这种双量子比特门实际应用之前，还有几个主要的问题需要解决。一方面，用于激发铷原子的商用激光器必须被更稳定的专用设备取代。另一方面，超快原子激发需要与原子超精细基态中长寿命量子比特的编码相结合。此外，还需要采取措施确保能从能量交换过程中安全地消除不需要的量子态。而且，像超导量子比特或俘获离子这种为其他类型的量子比特开发的技术也可以应用于里德堡原子,比如通过电场或微波场微调原子的能量。
