近日，科學(xué)家在中性原子量子計算領(lǐng)域取得重大突破，首次實(shí)現具有 512 個(gè)量子位的雙元素原子混合陣列。

　　據了解，量子位作為量子計算機的基本構件，能夠通過(guò)不同技術(shù)制成。其中一種技術(shù)是利用激光捕獲中性原子以制造量子位，并在 2018 年獲諾貝爾獎。相互作用可控、相干時(shí)間較長(cháng)的中性單原子體系，具有在 1 平方毫米面積提供成千上萬(wàn)個(gè)量子位的規?；蓛?yōu)勢，是進(jìn)行量子模擬和量子計算的有力候選者。

　　此前，用于量子計算的中性原子體系只局限于單個(gè)原子元素陣列。但由于陣列中的每個(gè)原子都具有相同特性，因此要在不干擾相鄰原子的情況下，測量單個(gè)原子是極其困難的。

　　本次，芝加哥大學(xué)普利茲克分子工程學(xué)院助理教授 Hannes Bernien 所帶領(lǐng)的團隊創(chuàng )造了一個(gè)由銣原子和銫原子構成的雙元素中性原子陣列，可以單獨控制每個(gè)原子，實(shí)現了首個(gè)由 512 個(gè)量子位組成的中性原子體系。此項研究顯著(zhù)拓寬了中性原子體系在量子技術(shù)方面的潛在應用，相關(guān)成果近日發(fā)表在《物理評論X》(Physical Review X)。

圖片來(lái)自《物理評論X》(Physical Review X)

　　目前，谷歌和 IBM 公司的量子計算機由超導電路構成，只達到約 130 個(gè)量子位。盡管芝加哥大學(xué)團隊的設備還不算是量子計算機，但由原子陣列制成的量子計算機將更容易擴大規模，帶來(lái)一些新的突破。

　　在由兩種不同元素的原子組成的混合陣列中，相鄰兩個(gè)原子可以是不同元素，具有完全不同的頻率。這使得研究人員更容易測量和操作單個(gè)原子，而不受周?chē)拥母蓴_。芝加哥大學(xué)團隊使用 512 個(gè)光鑷捕獲銣原子、銫原子各 256 個(gè)，并觀(guān)察到兩個(gè)元素之間的干擾能夠忽略不計。

　　實(shí)驗裝置，圖片來(lái)自論文

　　這項研究成果將有助于多方面的研究，包括量子非破壞性測量、量子糾錯，以及持續運行的量子處理器和傳感器。

　　“當你用單一原子做這些實(shí)驗時(shí)，在某個(gè)時(shí)刻，你會(huì )丟失原子，然后你得經(jīng)常初始化系統，先制造一個(gè)新的冷原子云，并等待單個(gè)原子再次被激光捕獲。”Bernien 說(shuō)，“而我們這種混合的設計，可以分別對這些元素進(jìn)行實(shí)驗。我們可以用一種元素原子做實(shí)驗，同時(shí)刷新另一種元素原子，再切換過(guò)來(lái)，這樣我們一直有可利用的量子位。”

　　這種原子陣列的混合特性也為許多應用打開(kāi)了大門(mén)，這些應用無(wú)法通過(guò)單一元素原子實(shí)現。例如，該研究中的兩種元素獨立可控，所以一種元素原子可用作量子存儲器，而另一種元素原子可用于量子計算，分別扮演計算機的 RAM(隨機存取存儲器)和 CPU(中央處理器)的角色。Bernien 表示，“我們的工作已經(jīng)啟發(fā)理論學(xué)家為此思考新的量子協(xié)議，這正是我所期望的。”
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