量子计算重大突破：科学家实现512个量子位的中性原子体系

近日，科学家在中性原子量子计算领域取得重大突破，首次实现具有512个量子位的双元素原子混合阵列。

据了解，量子位作为量子计算机的基本构件，能够通过不同技术制成。其中一种技术是利用激光捕获中性原子以制造量子位，并在2018年获诺贝尔奖。相互作用可控、相干时间较长的中性单原子体系，具有在1平方毫米面积提供成千上万个量子位的规模化集成优势，是进行量子模拟和量子计算的有力候选者。

此前，用于量子计算的中性原子体系只局限于单个原子元素阵列。但由于阵列中的每个原子都具有相同特性，因此要在不干扰相邻原子的情况下，测量单个原子是极其困难的。

本次，芝加哥大学普利兹克分子工程学院助理教授Hannes Bernien所带领的团队创造了一个由铷原子和铯原子构成的双元素中性原子阵列，可以单独控制每个原子，实现了首个由512个量子位组成的中性原子体系。此项研究显著拓宽了中性原子体系在量子技术方面的潜在应用，相关成果近日发表在《物理评论X》(Physical Review X)。

图片来自《物理评论X》(Physical Review X)

目前，谷歌和IBM公司的量子计算机由超导电路构成，只达到约130个量子位。尽管芝加哥大学团队的设备还不算是量子计算机，但由原子阵列制成的量子计算机将更容易扩大规模，带来一些新的突破。

在由两种不同元素的原子组成的混合阵列中，相邻两个原子可以是不同元素，具有完全不同的频率。这使得研究人员更容易测量和操作单个原子，而不受周围原子的干扰。芝加哥大学团队使用512个光镊捕获铷原子、铯原子各256个，并观察到两个元素之间的干扰能够忽略不计。

实验装置，图片来自论文

这项研究成果将有助于多方面的研究，包括量子非破坏性测量、量子纠错，以及持续运行的量子处理器和传感器。

“当你用单一原子做这些实验时，在某个时刻，你会丢失原子，然后你得经常初始化系统，先制造一个新的冷原子云，并等待单个原子再次被激光捕获。”Bernien说，“而我们这种混合的设计，可以分别对这些元素进行实验。我们可以用一种元素原子做实验，同时刷新另一种元素原子，再切换过来，这样我们一直有可利用的量子位。”

这种原子阵列的混合特性也为许多应用打开了大门，这些应用无法通过单一元素原子实现。例如，该研究中的两种元素独立可控，所以一种元素原子可用作量子存储器，而另一种元素原子可用于量子计算，分别扮演计算机的RAM（随机存取存储器）和CPU（中央处理器）的角色。Bernien表示，“我们的工作已经启发理论学家为此思考新的量子协议，这正是我所期望的。”