近日，科學(xué)家在中性原子量子計(jì)算領(lǐng)域取得重大突破，首次實(shí)現(xiàn)具有 512 個(gè)量子位的雙元素原子混合陣列。

據(jù)了解，量子位作為量子計(jì)算機(jī)的基本構(gòu)件，能夠通過(guò)不同技術(shù)制成。其中一種技術(shù)是利用激光捕獲中性原子以制造量子位，并在 2018 年獲諾貝爾獎(jiǎng)。相互作用可控、相干時(shí)間較長(zhǎng)的中性單原子體系，具有在 1 平方毫米面積提供成千上萬(wàn)個(gè)量子位的規(guī)模化集成優(yōu)勢(shì)，是進(jìn)行量子模擬和量子計(jì)算的有力候選者。

此前，用于量子計(jì)算的中性原子體系只局限于單個(gè)原子元素陣列。但由于陣列中的每個(gè)原子都具有相同特性，因此要在不干擾相鄰原子的情況下，測(cè)量單個(gè)原子是極其困難的。

本次，芝加哥大學(xué)普利茲克分子工程學(xué)院助理教授 Hannes Bernien 所帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了一個(gè)由銣原子和銫原子構(gòu)成的雙元素中性原子陣列，可以單獨(dú)控制每個(gè)原子，實(shí)現(xiàn)了首個(gè)由 512 個(gè)量子位組成的中性原子體系。此項(xiàng)研究顯著拓寬了中性原子體系在量子技術(shù)方面的潛在應(yīng)用，相關(guān)成果近日發(fā)表在《物理評(píng)論X》(Physical Review X)。

圖片來(lái)自《物理評(píng)論X》(Physical Review X)

目前，谷歌和 IBM 公司的量子計(jì)算機(jī)由超導(dǎo)電路構(gòu)成，只達(dá)到約 130 個(gè)量子位。盡管芝加哥大學(xué)團(tuán)隊(duì)的設(shè)備還不算是量子計(jì)算機(jī)，但由原子陣列制成的量子計(jì)算機(jī)將更容易擴(kuò)大規(guī)模，帶來(lái)一些新的突破。

在由兩種不同元素的原子組成的混合陣列中，相鄰兩個(gè)原子可以是不同元素，具有完全不同的頻率。這使得研究人員更容易測(cè)量和操作單個(gè)原子，而不受周圍原子的干擾。芝加哥大學(xué)團(tuán)隊(duì)使用 512 個(gè)光鑷捕獲銣原子、銫原子各 256 個(gè)，并觀察到兩個(gè)元素之間的干擾能夠忽略不計(jì)。

實(shí)驗(yàn)裝置，圖片來(lái)自論文

這項(xiàng)研究成果將有助于多方面的研究，包括量子非破壞性測(cè)量、量子糾錯(cuò)，以及持續(xù)運(yùn)行的量子處理器和傳感器。

“當(dāng)你用單一原子做這些實(shí)驗(yàn)時(shí)，在某個(gè)時(shí)刻，你會(huì)丟失原子，然后你得經(jīng)常初始化系統(tǒng)，先制造一個(gè)新的冷原子云，并等待單個(gè)原子再次被激光捕獲。”Bernien 說(shuō)，“而我們這種混合的設(shè)計(jì)，可以分別對(duì)這些元素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。我們可以用一種元素原子做實(shí)驗(yàn)，同時(shí)刷新另一種元素原子，再切換過(guò)來(lái)，這樣我們一直有可利用的量子位。”

這種原子陣列的混合特性也為許多應(yīng)用打開(kāi)了大門，這些應(yīng)用無(wú)法通過(guò)單一元素原子實(shí)現(xiàn)。例如，該研究中的兩種元素獨(dú)立可控，所以一種元素原子可用作量子存儲(chǔ)器，而另一種元素原子可用于量子計(jì)算，分別扮演計(jì)算機(jī)的 RAM（隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）和 CPU（中央處理器）的角色。Bernien 表示，“我們的工作已經(jīng)啟發(fā)理論學(xué)家為此思考新的量子協(xié)議，這正是我所期望的。”