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

據(jù)了解，量子位作為量子計算機的基本構(gòu)件，能夠通過不同技術(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。相互作用可控、相干時間較長的中性單原子體系，具有在 1 平方毫米面積提供成千上萬個量子位的規(guī)?；蓛?yōu)勢，是進(jìn)行量子模擬和量子計算的有力候選者。

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

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)的團隊創(chuàng)造了一個由銣原子和銫原子構(gòu)成的雙元素中性原子陣列，可以單獨控制每個原子，實現(xiàn)了首個由 512 個量子位組成的中性原子體系。此項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《物理評論X》(Physical Review X)。

圖片來自《物理評論X》(Physical Review X)

目前，谷歌和 IBM 公司的量子計算機由超導(dǎo)電路構(gòu)成，只達(dá)到約 130 個量子位。盡管芝加哥大學(xué)團隊的設(shè)備還不算是量子計算機，但由原子陣列制成的量子計算機將更容易擴大規(guī)模，帶來一些新的突破。

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量和操作單個原子，而不受周圍原子的干擾。芝加哥大學(xué)團隊使用 512 個光鑷捕獲銣原子、銫原子各 256 個，并觀察到兩個元素之間的干擾能夠忽略不計。

實驗裝置，圖片來自論文

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

“當(dāng)你用單一原子做這些實驗時，在某個時刻，你會丟失原子，然后你得經(jīng)常初始化系統(tǒng)，先制造一個新的冷原子云，并等待單個原子再次被激光捕獲。”Bernien 說，“而我們這種混合的設(shè)計，可以分別對這些元素進(jìn)行實驗。我們可以用一種元素原子做實驗，同時刷新另一種元素原子，再切換過來，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)用打開了大門，這些應(yīng)用無法通過單一元素原子實現(xiàn)。例如，該研究中的兩種元素獨立可控，所以一種元素原子可用作量子存儲器，而另一種元素原子可用于量子計算，分別扮演計算機的 RAM（隨機存取存儲器）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。”