潘建偉院士的新型光量子計算架構
中國科學家潘建偉院士、苑震生教授等人對量子糾纏新的研究成果爲一套全新的高性能量子計算機架構奠定了基礎。
研究人員使用光晶格中束縛的超冷原子，通過製備二維原子陣列、產生原子比特糾纏對、連接糾纏對的分步擴展方式製備了多原子糾纏態，並通過顯微學技術調控和觀測了其糾纏性質，向製備和測控大規模中性原子糾纏態邁出重要一步。這項研究成果近日發表於《物理評論快報》。
這條新聞中有太多新概念了，但當我們讀懂這條新聞時，就能對光量子計算機就能有一個更全面的瞭解了（圖1）。
圖1：實驗系統示意圖
01
量子糾纏
量子糾纏是一種神奇的量子力學現象，兩個或多個粒子在彼此相互作用後，它們的狀態將變成高度關聯的整體，改變其中一個粒子的狀態，另一個粒子的狀態也會立即改變。
中性原子體系近年來被認爲是量子計算的潛力平臺。在這個體系中，原子核的自旋可以被用作量子比特，原子之間的糾纏可以被用來實現量子邏輯門。其計算能力將隨糾纏比特數目的增長呈指數增長。但如何製備大規模中性原子糾纏態就是該領域發展的最大障礙。現在該團隊已經制備出了10原子一維糾纏鏈和8原子二維糾纏塊，爲這套全新的量子計算機架構奠定了技術基礎（圖2）。
圖2：製備一維量子糾纏鏈和二維糾纏塊
02
光晶格中束縛的超冷原子
這項新技術中的關鍵詞是光晶格。激光的光波有波峰和波谷，在空間上就形成了一個個能量的小凹陷，原子可以停在這個凹陷裡，激光就像可以夾住原子的小鑷子。
研究人員用光柵把紅藍雙色激光分成多束並組成結構穩定的光網，這張光網就叫光晶格，你可以把它想象成電影裡的安防激光陣列。原子被夾在光網的一個個小格子裡，這些小格子叫做勢能阱（圖3）。
圖3：光晶格和糾纏的超冷原子
我們知道溫度其實是粒子運動的宏觀表現，完全不能動的粒子其溫度就是絕對零度。不同顏色的激光頻率不同，科研人員通過調整光晶格的激光頻率就能改變波的形狀，進而縮小勢能阱，把原子束縛在微小的勢能阱中無法動彈，這樣我們就獲得了超冷原子。
03
超冷原子形成多原子糾纏態
超冷原子的熱效應低，量子力學效應就佔據了主導位置，只要條件合適就很容易產生量子糾纏。
研究人員使用雙色激光，構建了“交叉角度自旋相關”的光學超晶格，可以控制兩個或多個超冷原子的自旋，讓它們通過“超交換效應”機制產生量子糾纏。在量子氣體顯微鏡下10原子在糾纏鍊形成前後自旋發生了變化（圖4）。
圖4：10原子糾纏鏈的自旋關聯
04
能編程纔是量子計算機
想要作爲新的量子計算機架構平臺，除了需要有足夠多量子糾纏作爲量子比特外，還需要可以編程的邏輯門。研究人員使用的量子氣體顯微鏡可以對單個原子的位置和自旋狀態進行精確測量和操作。雖然不像電腦上敲代碼，但單獨操作原子自旋就是這種量子計算機的編程方式了。
05
技術難點
量子計算機的計算能力隨糾纏比特數目的增長呈指數增長。潘建偉與北京大學袁驍研發的“祖沖之二號”就達到了66個量子比特。那麼這項新的光晶格技術提升量子比特的難點在哪裡呢？研究人員目前遇到的主要問題是“量子門的累積噪聲和量子門的退相干會對生成的多粒子糾纏的保真度產生影響”。
也就是說隨着糾纏原子的增加，累積噪聲會讓已經產生糾纏的原子退出糾纏狀態，這就需要優化投影補償模式和提高光柵激光的偏振穩定性，以減少系統中的不均勻性。
06
強在哪裡
這項新成果強在三點，一是研究人員發明了“交叉角度自旋相關”的光學超晶格結構，這是一種前景廣闊的全新技術。
二是使用量子氣體顯微鏡配合超晶格結構，實現了對單個原子的操控。通過對多個原子的精細操控達到了編程的目的。
三是構建了可擴展的多粒子功能模塊。傳統方法要讓兩個原子先形成貝爾對發生量子糾纏，然後再兩兩相連形成更大的糾纏系統，效率低難度高，提升量子比特數苦難重重。而新系統可以將多條一維糾纏鏈組成二維糾纏塊，理論上可以高效提升比特數。
總之，該項成果是開創性的，爲使用光學超晶格構製造量子計算機奠定了基礎。也許未來實用的量子計算機不是超導量子比特的祖沖之，也不是光量子的九章，而是使用光學超晶格的光量子計算機。
編輯｜張毅
審覈｜吳新
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