总编辑圈点|催生全新硬件，突破当前限制——迄今最快的双量子位门实现

科技日报记者 张梦然

日本国立自然科学研究院分子科学研究所（IMS）的科学家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，然后用仅发光10皮秒（1皮秒为万亿分之一秒）的特殊激光束操纵原子，成功执行了世界上最快的双量子位门，其运行时间仅为6.5纳秒（1纳秒为十亿分之一秒）。8日发表在《自然·光子学》在线版上的该成果，有望催生全新的量子计算机硬件，突破目前正在开发的超导和离子阱量子计算机的限制。

迄今世界上最快的双量子位门概念图。在光镊（红光）中以1微米的间隔捕获的2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：富田孝文（IMS）

冷原子平台已成为量子计算机硬件最有希望的候选装置之一。与超导和离子阱类型相比，它可很容易地扩大到更大的规模，同时保持高相干性，这使其具有革命性的潜力，并作为下一代量子计算机硬件吸引了各界的关注。

量子门是构成量子计算的基本算术元素，包括单量子位门和双量子位门。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”。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一般慢于1微秒，如果能够实现比这快的量子门，就可以避免因噪声而导致计算精度下降，将更接近于实现一台实用的量子计算机。

使用铷原子的量子位示意图。
图片来源：富田孝文（IMS）

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纳秒超快门比噪声快两个数量级以上，因此可忽略噪声的影响。而之前的世界纪录是15纳秒。

新实验使用铷原子进行。首先，研究人员使用激光束将已冷却至约超低温气相中的两个铷原子用光镊以微米间隔排列；然后用超短激光脉冲照射它们，使困在最小轨道中的两个电子被撞入巨大的里德堡轨道；然后，这些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，通过这样的振荡实现了双量子位门。

利用这种现象，研究人员使用量子位进行了量子门操作，从而证明一个双量子位门可在6.5纳秒内运行，这是目前世界上最快的。

量子门的操作。当原子1处于“0”状态时，什么也没有发生（上）。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（下）。
图片来源：富田孝文（IMS）

总编辑圈点：

逻辑门是计算机的基本组成部分，逻辑门有3个种类：与、或、非。在传统电脑中，用半导体做的二极管和三极管来实现各种门，但量子计算机有全新的机制，因此无法使用经典的门电路和门结构，必须从底层重新设计和建造。要用不同的原料，采用不同的结构，这就考验量子光学基础研究的水平——能不能像控制足球一样，精确地停球、传球、射门。“射门”的道理谁都知道，但射得准不准、稳不稳，就能体现出国际巨星和普通爱好者之间的差距了。