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日本国立自然科学研究院(NINS) 分子科学研究所 (IMS) 的一个研究团队成功执行了世界上最快的双量子位门(量子计算的基本操作)，其运行时间仅为 6.5 ns 。该团队认为这一进步将有望推动超快量子计算的下一波快速发展。研究人员说：“利用激光来操纵被光镊捕获的冷原子的超快量子计算有望发展一种新的量子计算机架构，这种架构可以突破目前正在开发的超导和捕获离子型架构的限制。”
冷原子量子计算机基于激光冷却和光镊技术，这两项技术分别在1997年和2018年获得了诺贝尔物理学奖。这两项技术以及其他技术突破使科学家能够利用光镊将冷原子阵列以任意形状进行排列，并且可以单独观察每一个原子。
由于原子是天然的量子系统，因此使它们作为量子位是非常被看好的。此外，由于这些原子与周围环境很好地隔离，并且彼此相互独立，因此一个量子位的相干时间可以达到几秒。双量子位门被认为是量子计算中必不可少的基本算术元素，它是通过将原子的一个电子激发到一个主量子数较高的电子轨道来实现的，这种轨道被称为里德堡轨道。冷原子平台已成为量子计算机硬件的一个非常有希望的候选者。与目前正在开发的超导和捕获离子类型相比，冷原子平台可以很容易扩大规模，同时保持高的相干性。
双量子位门的示意图。在该系统中，被光镊（粉色光）捕获的两个原子，其间距为1微米，利用一个超快激光脉冲（蓝色光）仅照射10皮秒就可以操纵这两个原子。双量子位门克服了冷原子量子计算的一个基本瓶颈，它旨在推动量子计算机硬件的发展，突破目前正在开发的超导和捕获离子类型的限制。图片来源：Takafumi Tomita / IMS。
量子门被认为是构成量子计算的基本算术元素，它们与传统经典计算机中的“与”和“或”等逻辑门相对应。包括操纵单个量子位状态的单量子位门和在两个量子位之间产生量子纠缠的双量子位门。双量子位门可以实现量子计算机高速性能，但是在技术上具有一定的挑战性。在当前的研究中，实现的双量子位门被称为“受控Z门”，这是一种根据第二个量子位状态（0 或 1）将第一个量子位进行从 0 + 1到 0-1的量子叠加。量子门的准确性或保真度受到外界环境噪声和工作激光的影响，这给量子计算机的发展带来了非常大的困难。
由于噪声的时间尺度通常小于1微秒，如果能够实现一个比这个时间间隔更加快的量子门，这将可能避免因噪声而导致计算精度的下降，并且突破迄今为止阻碍实现实际量子计算机的瓶颈。研究人员使用气相的铷原子，将其冷却到几乎绝对零度，并且利用光镊把原子困在相距约 1微米位置上，以实现据称是两个单原子之间最快的双量子位门。
在对原子进行排列后，研究人员利用超短激光脉冲（1千亿分之一秒内产生的）照射原子，研究人员发现，分别被束缚在两个相邻原子最小轨道上的两个电子被激发到了里德堡轨道上。然后，这些“巨型原子”之间的相互作用导致了轨道形状和电子能量的周期性来回交换，其交换周期为6.5纳秒，这比噪声的时间尺度快了两个数量级以上。
这项研究成果发表在《Nature Photonics》( www.doi.org/10.1038/s41566-022-01047-2 )期刊上。
消息来源：https://www.photonics.com/Articles/Optical_Tweezing_Resolves_Pivotal_Bottleneck_in/a68265
