Popular science work
日本國立自然科學(xué)研究院分子科學(xué)研究所（IMS）的科學(xué)家使用光鑷來捕獲兩個(gè)冷卻到幾乎絕對零且僅相隔一微米的原子，然后用僅發(fā)光10皮秒（1皮秒為萬億分之一秒）的特殊激光束操縱原子，成功執(zhí)行了世界上最快的雙量子位門，其運(yùn)行時(shí)間僅為6.5納秒（1納秒為十億分之一秒）。8日發(fā)表在《自然·光子學(xué)》在線版上的該成果，有望催生全新的量子計(jì)算機(jī)硬件，突破目前正在開發(fā)的超導(dǎo)和離子阱量子計(jì)算機(jī)的限制。
冷原子平臺(tái)已成為量子計(jì)算機(jī)硬件最有希望的候選裝置之一。與超導(dǎo)和離子阱類型相比，它可很容易地?cái)U(kuò)大到更大的規(guī)模，同時(shí)保持高相干性，這使其具有革命性的潛力，并作為下一代量子計(jì)算機(jī)硬件吸引了各界的關(guān)注。
量子門是構(gòu)成量子計(jì)算的基本算術(shù)元素，包括單量子位門和雙量子位門。這次成功實(shí)現(xiàn)的是最重要的雙量子位門之一，稱為“受控Z門”。量子門的精度（保真度）很容易受到來自外部環(huán)境和工作激光器噪聲的影響，這使得量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展變得困難。由于噪聲的時(shí)間尺度一般慢于1微秒，如果能夠?qū)崿F(xiàn)比這快的量子門，就可以避免因噪聲而導(dǎo)致計(jì)算精度下降，將更接近于實(shí)現(xiàn)一臺(tái)實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)。
在過去的20年里，所有的量子計(jì)算機(jī)硬件都在追求更快的門。這次使用冷原子硬件實(shí)現(xiàn)的6.5納秒超快門比噪聲快兩個(gè)數(shù)量級以上，因此可忽略噪聲的影響。而之前的世界紀(jì)錄是15納秒。
新實(shí)驗(yàn)使用銣原子進(jìn)行。首先，研究人員使用激光束將已冷卻至約超低溫氣相中的兩個(gè)銣原子用光鑷以微米間隔排列；然后用超短激光脈沖照射它們，使困在最小軌道中的兩個(gè)電子被撞入巨大的里德堡軌道；然后，這些原子之間的相互作用導(dǎo)致軌道形狀和電子能量的周期性來回交換，周期為6.5納秒，通過這樣的振蕩實(shí)現(xiàn)了雙量子位門。
利用這種現(xiàn)象，研究人員使用量子位進(jìn)行了量子門操作，從而證明一個(gè)雙量子位門可在6.5納秒內(nèi)運(yùn)行，這是目前世界上最快的。
【總編輯圈點(diǎn)】
邏輯門是計(jì)算機(jī)的基本組成部分，邏輯門有3個(gè)種類：與、或、非。在傳統(tǒng)電腦中，用半導(dǎo)體做的二極管和三極管來實(shí)現(xiàn)各種門，但量子計(jì)算機(jī)有全新的機(jī)制，因此無法使用經(jīng)典的門電路和門結(jié)構(gòu)，必須從底層重新設(shè)計(jì)和建造。要用不同的原料，采用不同的結(jié)構(gòu)，這就考驗(yàn)量子光學(xué)基礎(chǔ)研究的水平——能不能像控制足球一樣，精確地停球、傳球、射門。“射門”的道理誰都知道，但射得準(zhǔn)不準(zhǔn)、穩(wěn)不穩(wěn)，就能體現(xiàn)出國際巨星和普通愛好者之間的差距了。
來源：科技日報(bào)
