世界上最快的雙量子位門誕生 有望催生全新量子計算機硬件

日本國立自然科學(xué)研究院分子科學(xué)研究所(IMS)的科學(xué)家使用光鑷來捕獲兩個冷卻到幾乎絕對零且僅相隔一微米的原子，然后用僅發(fā)光10皮秒(1皮秒為萬億分之一秒)的特殊激光束操縱原子，成功執(zhí)行了世界上最快的雙量子位門，其運行時間僅為6.5納秒(1納秒為十億分之一秒)。8日發(fā)表在《自然·光子學(xué)》在線版上的該成果，有望催生全新的量子計算機硬件，突破目前正在開發(fā)的超導(dǎo)和離子阱量子計算機的限制。

冷原子平臺已成為量子計算機硬件最有希望的候選裝置之一。與超導(dǎo)和離子阱類型相比，它可很容易地擴大到更大的規(guī)模，同時保持高相干性，這使其具有革命性的潛力，并作為下一代量子計算機硬件吸引了各界的關(guān)注。

量子門是構(gòu)成量子計算的基本算術(shù)元素，包括單量子位門和雙量子位門。這次成功實現(xiàn)的是最重要的雙量子位門之一，稱為“受控Z門”。量子門的精度(保真度)很容易受到來自外部環(huán)境和工作激光器噪聲的影響，這使得量子計算機的發(fā)展變得困難。由于噪聲的時間尺度一般慢于1微秒，如果能夠?qū)崿F(xiàn)比這快的量子門，就可以避免因噪聲而導(dǎo)致計算精度下降，將更接近于實現(xiàn)一臺實用的量子計算機。

在過去的20年里，所有的量子計算機硬件都在追求更快的門。這次使用冷原子硬件實現(xiàn)的6.5納秒超快門比噪聲快兩個數(shù)量級以上，因此可忽略噪聲的影響。而之前的世界紀(jì)錄是15納秒。

新實驗使用銣原子進(jìn)行。首先，研究人員使用激光束將已冷卻至約超低溫氣相中的兩個銣原子用光鑷以微米間隔排列;然后用超短激光脈沖照射它們，使困在最小軌道中的兩個電子被撞入巨大的里德堡軌道;然后，這些原子之間的相互作用導(dǎo)致軌道形狀和電子能量的周期性來回交換，周期為6.5納秒，通過這樣的振蕩實現(xiàn)了雙量子位門。

利用這種現(xiàn)象，研究人員使用量子位進(jìn)行了量子門操作，從而證明一個雙量子位門可在6.5納秒內(nèi)運行，這是目前世界上最快的。

總編輯圈點：

邏輯門是計算機的基本組成部分，邏輯門有3個種類：與、或、非。在傳統(tǒng)電腦中，用半導(dǎo)體做的二極管和三極管來實現(xiàn)各種門，但量子計算機有全新的機制，因此無法使用經(jīng)典的門電路和門結(jié)構(gòu)，必須從底層重新設(shè)計和建造。要用不同的原料，采用不同的結(jié)構(gòu)，這就考驗量子光學(xué)基礎(chǔ)研究的水平——能不能像控制足球一樣，精確地停球、傳球、射門。“射門”的道理誰都知道，但射得準(zhǔn)不準(zhǔn)、穩(wěn)不穩(wěn)，就能體現(xiàn)出國際巨星和普通愛好者之間的差距了。