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“光镊”技术解决量子计算中的关键瓶颈

来源:Ringier 发布时间:2022-08-15 296
工业金属加工工业激光激光设备零部件光学材料与元件其他
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近日,日本国家自然科学研究所分子科学研究所的一个研究小组执行了一个双量子位门的量子计算基本操作,运行时间仅为6.5纳秒

近日,日本国家自然科学研究所分子科学研究所的一个研究小组执行了一个双量子位门的量子计算基本操作,运行时间仅为6.5纳秒。研究团队认为,它的进步将支持下一波超快量子计算的成功。研究人员表示,依靠激光操控“光镊”捕获冷原子的超快量子计算,突破目前正在开发的超导和捕获离子类型限制的量子计算机架构。


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双量子位门的概念图。在该系统中,在光镊(粉红色光)中捕获两个原子,间隔为1微米,由仅照射10皮秒的超快激光脉冲(蓝光)操作。双量子位门克服了冷原子量子计算的一个基本瓶颈,旨在支持量子计算机硬件开发,突破目前正在开发的超导和捕获离子类型的限制


冷原子量子计算机基于激光冷却和捕获技术,该技术的科学家曾在1997年和2018年被授予了诺贝尔奖。这些技术加上其他突破,使科学家们能够开发出用光镊将冷原子排列成任意形状的能力,并对每个冷原子进行单独观察。


因为原子是自然的量子系统,所以它们被视为量子位。此外,由于这些原子与周围环境被有效地隔离且彼此独立,因此一个量子位的相干时间可以达到几秒。双量子位门被认为是量子计算的基本运算元素,它是通过激发原子中的一个电子进入一个巨大的电子轨道(里德堡轨道)来实现。


冷原子平台已成为量子计算机硬件一个非常有前途的候选平台。与目前正在开发的超导和捕获离子类型相比,该平台可以轻松扩大规模,同时保持高相干性。


量子门被认为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逻辑门,如“与”和“或”。有一个量子位门操纵单个量子位的状态,有两个量子位门在两个量子位之间产生量子纠缠。双量子位门是量子计算机高速性能的源泉,在技术上具有挑战性。


在目前的研究中,实现的双量子位门被称为“受控Z门”,这是一种将第一量子位的量子叠加从“0+1”翻转到“0-1”的操作,并取决于第二量子位的状态(0或1)。量子门的精度或保真度会因外部环境的噪声和激光运行而降低,这使得开发量子计算机变得困难。


由于噪声时间通常小于1微秒,如果可以实现比该时间间隔快得多的量子门,则有可能避免噪声导致的计算精度下降,并避免迄今为止阻碍实现量子计算机的瓶颈。研究团队使用了气相中的铷原子,将其冷却到几乎绝对零度,使这个原子被夹在距离约1微米的光镊中,以实现两个单原子之间最快的双量子位门。


在排列好原子后,研究小组用超短激光脉冲照射它们,该脉冲发出的光为千亿分之一秒。研究人员观察到,两个相邻原子的最小轨道中的两个电子被撞入里德堡轨道。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交换,周期为6.5纳秒,比噪声快两个数量级以上。

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