研究人员在两个单原子之间开发了世界上最快的双量子位门

　　图 1.世界上最快的双量子位门的概念图。在光学镊子（红光）中捕获的两个原子与微米的分离被超快激光脉冲（蓝光）操纵，仅照射10皮秒。图片来源：富田隆文博士（IMS）
　　由研究生Yeelai Chew，美国国立自然科学研究所分子科学研究所的Sylvain de Léséleuc助理教授和Kenji Ohmori教授领导的研究小组正在使用冷却到几乎绝对零度的原子，并被困在光学镊子中，相隔一微米左右（见图1）。通过用特殊的激光操纵原子10皮秒，他们成功地执行了世界上最快的双量子位门，这是量子计算的基本操作，其运行时间仅为6.5纳秒。
　　这种超快量子计算机使用超快激光来操纵被光学镊子捕获的冷原子，有望成为一种全新的量子计算机，突破目前正在开发的超导和捕获离子类型的限制。
　　研究结果发表在2022年8月8日 的在线版《自然光子学 》上。
　　基于冷原子的量子计算机
　　冷原子量子计算机基于1997年诺贝尔奖（S. Chu，C. Cohen-Tannoudji和W.D. Philipps，＂用激光冷却和捕获原子＂）和2018年（A. Ashkin，光学镊子的发明）所庆祝的激光冷却和捕获技术。这些技术有助于用光学镊子将冷原子阵列排列成任意形状，并允许单独观察每个原子。
　　因为原子是自然的量子系统，所以它们可以很容易地存储量子信息位，量子计算机的基本构建块（＂量子比特＂）（见图2）。此外，这些原子与周围环境隔离得很好，彼此独立。量子比特的相干时间（量子叠加持续存在的时间）可以达到几秒钟。然后，通过将原子的一个电子激发到一个巨大的电子轨道（称为里德伯轨道）来执行双量子位门（量子计算的基本算术元件）。
　　图 2.使用铷原子的量子位示意图。图片来源：富田隆文博士（IMS）
　　凭借这些技术，冷原子平台已成为量子计算机硬件最有前途的候选者之一，吸引了全球工业界，学术界和政府的关注。特别是，它具有革命性的潜力，因为它可以很容易地放大，同时保持高相干性，与目前正在开发的超导和捕获离子类型相比。
　　量子门
　　量子门是构成量子计算的基本算术元素。它们对应于传统经典计算机中的逻辑门，例如AND和OR。有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。双量子位门是量子计算机高速性能的来源，在技术上具有挑战性。最重要的双量子位门称为＂受控Z门（CZ门）＂，这是一种根据第二个量子位的状态（0或1）将第一个量子位的量子叠加从0 + 1翻转到0-1的操作（见图3）。
　　图 3.量子门的操作。（上部）当原子1处于＂0＂状态时，没有任何反应。当原子1处于＂1＂状态时，原子2叠加的符号从正变为负。此操作是在量子计算机上运行的量子算法的核心。图片来源：富田隆文博士（IMS）
　　量子门的精度（保真度）很容易被来自外部环境和操作激光的噪声降低，这使得量子计算机的发展变得困难。由于噪声的时间尺度通常慢于一微秒，如果能够实现比这更快的量子门，就有可能避免由于噪声导致计算精度的下降，使我们更接近于实现实用的量子计算机。因此，在过去的20年里，所有的量子计算机硬件研究一直在追求更快的门。通过这项研究用冷原子硬件实现的6.5纳秒的超快栅极比噪声快两个数量级以上，因此可以忽略其影响。之前的世界纪录是15纳秒，由谷歌AI在2020年通过超导电路实现。
　　实验方法
　　该实验是使用铷原子进行的。首先，使用激光束将气相中的两个铷原子冷却到约1/100，000开尔文的超低温，用光学镊子以微米间隔排列。然后，研究人员用超短激光脉冲照射它们，这些脉冲只发射了1/1000亿分之一秒的光，并观察了发生的变化。两个电子分别被困在两个相邻原子（原子1和原子2）的最小轨道（5S）中，被敲入巨大的电子轨道（里德伯轨道，这里是43D）。然后，这些巨型原子之间的相互作用导致轨道形状和电子能量的周期性来回交换，周期为6.5纳秒。
　　在一次振荡之后，量子物理定律规定波函数的符号被翻转，从而实现双量子位门（受控Z门）。利用这种现象，他们使用量子位（图2）执行量子门操作，其中5P电子状态是＂0＂状态，43D电子状态是＂1＂状态。将原子1和2分别制备为量子比特1和2，并使用超短激光脉冲诱导能量交换。在一个能量交换周期中，只有当量子比特1处于＂1＂状态时，量子比特2的叠加状态的符号才会被反转（图3）。研究小组通过实验观察了这种符号翻转，从而证明了两量子位门可以在6.5纳秒内操作，是世界上最快的。
　　通过＂使用超快激光操纵两个冷却到几乎绝对零度的微米间隔原子＂的全新方法，实现了世界上最快的超快栅极，预计这将大大加速全世界对冷原子硬件的关注。
　　更多信息： Sylvain Léséleuc，纳秒级时间尺度上两个单个Rydberg原子之间的超快能量交换， Nature Photonics （2022）。DOI： 10.1038/s41566-022-01047-2.www.nature.com/articles/s41566-022-01047-2
　　期刊信息： 自然光子学