世界上最快的 2 量子比特门：实现超快量子计算机的突破

图 1. 世界上最快的双量子比特门的概念图。在光镊（红光）中以一微米的间隔捕获的两个原子由仅照射 10 皮秒的超快激光脉冲（蓝光）操纵。图片来源：Takafumi Tomita 博士 (IMS)

一个研究小组成功地执行了世界上最快的双量子比特门（量子计算必不可少的基本算术元素），使用一种全新的操作方法，使用超快激光，将微米间隔的原子冷却到绝对零温度。

在过去的二十年里，所有的量子计算机硬件都在追求更快的门，以逃避可能降低计算精度的外部噪声的影响。

基于冷原子的量子计算机作为突破了目前最先进的量子计算机类型超导和离子阱量子计算机的一些限制的革命性硬件，正迅速引起全球工业界、学术界和政府的关注。

一个研究小组正在使用冷却到几乎绝对零的原子[1]并被困在光学镊子[2]中，间隔约一微米（见图 1）。通过用一种特殊的激光操纵​​原子 10 皮秒（皮秒 = 万亿分之一秒），他们成功地执行了世界上最快的双量子比特门，[3]参见图 1-3，这是量子计算必不可少的基本操作计算[4]，其运行时间仅为 6.5 纳秒（纳秒 = 十亿分之一秒）。这台超快量子计算机，[4]，它使用超快激光来操纵被光镊[2]捕获的冷原子，有望成为一种全新的量子计算机硬件，突破目前正在开发的超导和俘获离子类型的限制。

该结果将于今天（2022 年 8 月 8 日）在英国科学期刊Nature Photonics的在线版上发表。该研究团队由国立自然科学研究所分子科学研究所的研究生 Yeelai Chew、助理教授 Sylvain de Léséleuc 和 Kenji Ohmori 教授领导。

图 2. 使用铷原子的量子比特示意图。图片来源：Takafumi Tomita 博士 (IMS)

1. 研究背景

1 – 1. 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 WD Philipps，Cooling and trapping atom with laser light）和 2018 年（A. Ashkin，发明）庆祝的激光冷却和俘获技术光镊）。这些技术，连同 2016 年的最新突破，使科学家能够用光镊[2]以任意形状排列冷原子阵列，并单独观察每个原子。

因为原子是天然的量子系统，它们可以很容易地存储信息的量子比特。这些是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很好地隔离并且彼此独立，量子比特的相干时间（量子叠加[5]持续的时间）可以达到几秒。然后通过将原子的一个电子激发到一个巨大的电子轨道（称为里德堡轨道）中来执行双量子比特门[3] （量子计算的基本基本算术元素）。[6]

借助这些技术，冷原子平台已成为量子计算机硬件最有希望的候选者之一。特别是，与目前正在开发的超导和离子阱类型相比，它具有革命性的潜力，因为它可以很容易地扩大到更大的规模，同时保持高相干性，并引起了工业界、学术界和政府的关注。世界作为下一代量子计算机硬件。

图 3. 量子门的操作。（上）当原子 1 处于“0”状态时，什么也没有发生。当原子 1 处于“1”状态时，原子 2 的叠加符号由正变为负。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：Takafumi Tomita 博士 (IMS)

1 – 2. 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 AND 和 OR 等逻辑门。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。双量子比特门是量子计算机高速性能的源泉，在技术上具有挑战性。这次成功实现的是最重要的双量子位门之一，称为“受控 Z 门（CZ 门）”，这是一种将第一个量子位的量子叠加从 0 + 1 翻转到 0 – 1 的操作取决于第二个量子位的状态（0 或 1）（参见图 3）。量子门的精度（保真度）很容易受到来自外部环境和工作激光器的噪声的影响，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（微=百万分之一秒），如果能够实现比这足够快的量子门，将有可能避免由于以下原因导致计算精度下降噪声，我们将更接近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都在追求更快的门。这次使用冷原子硬件实现的 6.5 纳秒（纳秒 = 十亿分之一秒）的超快门比噪声快两个数量级以上，因此可以忽略噪声的影响。顺便说一句，之前的世界纪录是 15 纳秒，是由 Google AI 在 2020 年通过超导电路实现的。

2. 研究成果

2 – 1. 结果总结：

该研究小组使用光镊来捕获两个冷却到几乎绝对零且仅相隔一微米的原子。然后，他们用仅发光 10 皮秒（皮 = 万亿分之一秒）的特殊激光束操纵原子，并成功执行了世界上最快的 2 量子比特门[3]（量子计算必不可少的基本算术元素），运行时间仅为 6.5 纳秒（纳米 = 十亿分之一秒）。在过去的 20 年里，所有的量子计算机硬件都在寻求更快的门来逃避外部噪声的影响，这会降低计算的准确性。这次实现的世界上最快的双量子比特门比噪声快两个数量级以上，可以忽略噪声的影响。这种超快量子计算机使用超快激光来操纵与光镊对齐的冷却原子的人工晶体，有望成为一种全新的量子计算机硬件，突破目前正在开发的超导和俘获离子类型的限制。

2 – 2. 实验方法（图 1-3）：

该实验是使用铷原子进行的。[7]首先，使用激光束[1] [8]将气相中的两个铷原子以微米间隔排列. [2]然后，他们用仅发射 1/100 亿分之一秒的超短激光脉冲照射它们，并观察发生了什么样的变化。分别被困在两个相邻原子（原子 1 和原子 2）的最小轨道（5S）中的两个电子被撞入巨大的电子轨道（里德堡轨道，此处为 43D）。[6]然后，这些巨大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，量子物理定律决定了波函数的符号被翻转，从而实现了双量子比特门（受控 Z 门）。利用这种现象，我们使用 qubit（图 2）进行了量子门操作，其中 5P 电子状态为“0”状态，43D 电子状态为“1”状态。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（= 6.5 纳秒；纳秒 = 十亿分之一秒）中，只有当 qubit 1 处于“1”状态时，qubit 2 的叠加状态的符号才会反转（图 3）。

三、本研究的未来发展及社会意义

在过去的 20 年里，所有的量子计算机硬件都在寻求更快的门来逃避外部噪声的影响，这会降低计算的准确性。这次使用冷原子硬件实现的 6.5 纳秒（纳秒 = 十亿分之一秒）的超快量子门比噪声快两个数量级以上，因此可以忽略噪声的影响。冷原子量子计算机具有革命性的潜力，与目前正在开发的超导和离子阱量子计算机相比，它可以很容易地扩大到更大的规模，同时保持高相干性，并引起了工业界、学术界和学术界的关注。世界各国政府将其作为下一代量子计算机硬件。实现世界上最快的超快门，

4. 术语

1.绝对零原子和分子停止运动的温度称为绝对零。单位是开尔文。零开尔文称为绝对零。0 开尔文的绝对温度是-273.15摄氏度，0 摄氏度是+273.15 开尔文的绝对温度。

2.光镊光镊是 A. Ashkin 在 1970 年代发明的。它由紧密聚焦到小于一微米大小的激光束组成。原子被明亮的焦点吸引并被困在那里。

3. 双量子比特门双量子比特门是量子计算机高性能的源泉。它是对两个量子位的量子态的逻辑运算。在这项工作中实现的双量子位门，即“受控 Z 门”，是一种操作，当第二个量子位是处于状态 1（但不是处于状态 0）。量子叠加的这种“符号翻转”是量子计算机中的基本操作。

4. 量子计算机将量子叠加[5]的特性应用于信息处理的计算机。它通过操纵它们的状态（逻辑 0 和 1 的叠加）并在多个粒子之间执行逻辑运算，对一组量子系统（例如原子）进行信息处理。通过利用量子系统的叠加特性，预计普通计算机需要很长时间的计算可以更快地执行。

5.叠加量在经典计算机中，位（信息单位）要么处于状态 0，要么处于状态 1。在量子计算机中，量子对象（例如原子）可以处于两种状态的叠加状态，情况则大不相同。 ：原子同时“处于状态 0 和状态 1”。此外，有很多方法可以叠加两种状态。将量子态视为波，很明显两个波可以叠加，其波峰对齐（“状态 0 加状态 1”）或波 1 的波峰与波 2 的波谷对齐（“状态 0 减去状态 1”）。请参见图 3。

6.里德堡轨道远离原子核的电子轨道。在实验中，使用了第 43个轨道。该轨道比第 5 轨道大约 100倍。在里德堡轨道上运动的电子称为里德堡电子，带有里德堡电子的原子称为里德堡原子。

7. 铷原子一种原子序数为 37 的碱金属原子。它在围绕原子核的第 5 轨道 (5s)中有一个电子。

8.激光冷却激光冷却是一种使用激光从原子中去除能量从而降低其温度的技术。当原子吸收激光时，它会受到激光光子的动量，并受到激光方向的力。如果原子逆着激光束的方向行进，则力会逐渐减慢它们的速度并降低原子的能量。这使得将原子冷却到大约 1/100,000 开尔文成为可能。[1]