日本研究人員開發(fā)出最快的雙量子位門

8月10日消息（南山）據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，日本國(guó)立自然科學(xué)研究院分子科學(xué)研究所（IMS）一個(gè)研究小組，使用光鑷來捕獲到兩個(gè)冷卻到幾乎絕對(duì)零度的原子，并困在相隔一微米的距離，采用僅發(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，操作時(shí)間僅為6.5納秒（1納秒為十億分之一秒）。

這一研究成果發(fā)布在《自然·光子學(xué)》在線版上，有望成為一種全新的量子計(jì)算機(jī)，突破目前正在開發(fā)的超導(dǎo)型和困住離子型的限制。

冷原子量子計(jì)算機(jī)是基于1997年"用激光冷卻和捕獲原子"和2018年“發(fā)明光學(xué)鑷子”兩項(xiàng)諾貝爾獎(jiǎng)所獎(jiǎng)勵(lì)的激光冷卻和捕獲技術(shù)。這些技術(shù)有利于用光學(xué)鑷子將冷原子陣列排列成任意的形狀，并允許對(duì)每個(gè)原子進(jìn)行單獨(dú)觀察。

由于原子是天然的量子系統(tǒng)，它們可以很容易地存儲(chǔ)量子比特的信息，即量子計(jì)算機(jī)的基本構(gòu)件“量子比特”。一個(gè)量子比特的相干時(shí)間可以達(dá)到幾秒鐘。然后，通過激發(fā)原子的一個(gè)電子進(jìn)入一個(gè)巨大的電子軌道，稱為雷德伯格軌道，來進(jìn)行雙量子比特門。

有了這些技術(shù)，冷原子平臺(tái)已經(jīng)成為制造量子計(jì)算機(jī)最有希望的候選者之一，吸引了全世界工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和政府的關(guān)注。特別是，它具有革命性的潛力，因?yàn)榕c目前正在開發(fā)的超導(dǎo)和陷落離子類型相比，它可以很容易地?cái)U(kuò)大規(guī)模，同時(shí)保持高一致性。

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，對(duì)應(yīng)于傳統(tǒng)經(jīng)典計(jì)算機(jī)中的邏輯門。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”。

由于噪聲的時(shí)間尺度一般慢于1微秒，如果能實(shí)現(xiàn)足夠快于此的量子門，將有可能避免噪聲導(dǎo)致的計(jì)算精度下降，使我們更接近實(shí)現(xiàn)實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)。因此，在過去的20年里，所有的量子計(jì)算機(jī)研究都在追求更快的閘門。這項(xiàng)研究用冷原子硬件實(shí)現(xiàn)的6.5納秒的超快門，比噪聲快兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上，因此可以忽略其影響。之前的世界紀(jì)錄是15納秒，由谷歌AI在2020年用超導(dǎo)電路實(shí)現(xiàn)。

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