（要闻）用魔幻光强技术 让原子量子比特变“乖”

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经典计算机的单位是比特，量子计算的基础是量子比特。一些科学家将量子位比作“一幅美丽的海边沙画，当波浪袭来时，它就消失了”。科学家们正在竞相寻找方法，尽可能将量子系统与环境隔离，以延长它被波破坏的时间，但要操纵它，它必须与它相互作用。如何完美的操作和隔离是对实验者技术的考验。

近日，中科院武汉物理与数学研究所研究员詹在世界范围内首次实现了保真度超过99.99%、误差率小于0.01%的原子量子态操纵，突破了中性原子量子计算的一个重要障碍。该研究结果由国际权威期刊《物理评论快报》选择并发表。

超导和半导体作为量子计算的候选系统已经取得了一系列的研究进展，那为什么还要研究中性原子呢？量子计算中中性原子有什么优势？如何获得世界上最高精度的单比特量子态操纵？科技日报记者就这些问题采访了詹的团队。

精度越高，计算结果越准确

人类对物质世界的认识是从地球到空，从宏观到微观，量子力学是描述微观物质的理论。虽然量子力学往往违反直觉，难以理解，但它在我们的日常生活中有其影子。从简单的激光笔到手机再到电脑，这些都是量子力学主导的微观粒子的宏观效应。

该团队的副研究员何晓东表示，量子力学的力量并不仅限于此。当它与计算的运算相结合时，就会产生一种新的计算方法:量子计算。量子计算广泛应用于许多领域，如量子模拟、人工智能、制药、量子加密等。

目前对量子计算的研究还处于“小学阶段”，无法与目前的经典计算机相提并论。最近受到工业界极大关注的单离子、核磁共振、光子、中性原子、固体量子点和超导电路是全世界科学家努力实现量子比特的方向。詹的团队选择中性原子作为实现量子比特的主要方向。

副研究员徐鹏告诉《科技日报》记者，中性原子虽然早些时候被科学家提出作为实现量子比特的候选系统，但它是一种难以操控的粒子，一直无法突破实现99.99%比特操控精度的总体目标。

这是个很大的门槛。我们可以想象，当我们通过量子计算处理一个问题时，我们需要多次操纵量子比特。如果每次操作的准确率不够高，只有90%，只做7次操作得到正确结果的概率只有48%，也就是说我们无法区分结果是否正确。控制精度越高，计算结果越精确，可以控制的次数越多，从而处理更复杂的问题。当我们的控制精度达到99.99%时，控制次数可以达到7000次，更重要的是，我们可以实现量子纠错，进一步提高量子计算的容错能力。

徐鹏告诉记者，他们将转向两位99%控制精度的方向，完成单位99.99%控制精度后。

它在做更多的量子位方面有很大的潜力

20世纪80年代，诺贝尔奖获得者理查德·费曼等人基于量子叠加和量子纠缠这两个奇特的量子性质，提出了构建“量子计算”的思想。

传统计算机控制晶体管的高低电平

确定一个位是“1”还是“0”构成数据序列的串行处理。叠加允许一个量子位同时具有“1”和“0”状态。纠缠允许多个比特共享状态，产生“超叠加”量子并行计算，计算能力随着比特数的增加呈指数增长。

从理论上讲，量子计算机可以在几秒钟内解决传统计算机在几万年内可以处理的复杂问题。有了300个量子位，我们可以支持比宇宙中所有粒子更多的并行计算。

量子计算关系到未来的竞争，已经成为各国争夺的前沿科学。超导和半导体作为量子计算的候选系统，相继取得了“成功”。他们为什么使用中性原子？徐鹏解释说，中性原子与离子非常接近，它们也是自然界中存在的粒子系统。通常一个原子的直径在0.05 nm到0.5 nm之间，比头发的直径小几千倍到几万倍。原子有一个很大的优势，因为它们可以在很小的范围内制造许多量子位。

每增加一个量子位，就代表着计算能力的巨大提高。徐鹏说:“这就像我们传统电脑中的处理器。当初我们集成了几百个晶体管，后来几万个，几十万个，几千万个，现在几亿个。每个晶体管相当于一个量子位。量子位越多，未来的计算潜力就越大。”

当然，为了真正转化为实际的计算能力，有必要有一个高保真、低误差的通用子门。徐鹏说，一方面，他们正在努力控制得足够好；另一方面，中性原子量子计算的候选系统在做更多的量子位方面有很大的潜力，这也是他们最大的优势。一旦一个比特被很好地操纵，制造更多的比特将向量子计算迈出坚实的一步。

能级扰动减少了一百倍

詹·明升的团队十年来一直在做一件事——利用陷在光阱中的中性原子制造量子计算机。2017年，该团队在世界上首次实现了量子计算的一个关键逻辑门——两个异核原子的受控NOT门，并用这个量子门演示了两个量子位最简单的计算，即纠缠异核原子。

何晓东说:“这个研究不同于‘两个异核原子的量子纠缠’。我们要解决的是量子计算需要的另一个通用量子门，即单比特量子逻辑门的控制精度。”

在以前的实验研究中，许多国际研究小组成功地将激光调制成光学陷阱阵列，用于加载中性原子并基于它建立量子寄存器。但是之前俘获原子的激光会对原子的量子位能级产生很大的扰动，导致单量子位逻辑门的控制精度有很大误差。

何晓东说，要达到极高的精度，一方面控制方法要足够精确，就像你需要一把高精度的狙击枪一样，另一方面原子状态要足够稳定，就是目标不能动摇；这样当你瞄准时，你就能击中靶心。囚禁光场对原子能级的干扰也成为构建基于中性原子的实用量子计算机的障碍之一。

分析表明，解决这一问题的方法在于有效抑制囚禁光场对原子的干扰。为此，研究小组开发了幻光强技术，将激光俘获原子造成的扰动减少了百倍，使量子位的相干保持时间达到了秒量级。然后，他们利用这种技术构造了一种新型的量子寄存器，可以提供高质量的量子比特，最终解决了单比特门控制精度的问题，堪比囚禁离子。但与离子相比，中性原子可以更方便地形成光阱原子阵列，实现多位扩展。

詹表示，研究成果是团队开发的幻光强俘获原子和量子态精密操纵技术在高保真全球单比特量子逻辑门的成功应用，将推动中性原子量子计算的发展，为下一步构建可扩展的中性原子量子信息处理技术奠定基础。(记者刘芷微通讯员罗芳)