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）。通过使用特殊的激光操纵​​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。该研究小组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。