日本国家自然科学研究所（IMS）的研究团队使用光镊来捕获两个冷却到几乎绝对零且仅相隔一微米的原子（见图1），然后用仅发光10皮秒（1皮秒为万亿分之一秒）的特殊激光束操纵原子，成功地执行了世界上最快的双量子比特门（量子计算所必需的基本操作），其运行时间仅为 6.5 纳秒（1纳秒为十亿分之一秒）。
这台超快量子计算机使用超快激光来操纵被光镊捕获的冷原子，有望成为一种全新的量子计算机，突破目前正在开发的超导和捕获离子类型的限制。
研究结果于2022 年 8 月 8 日发表在《自然·光子学》上。
图1：世界上最快的双量子比特门的概念图。在光镊（红光）中以一微米的间隔捕获的两个原子由仅照射 10 皮秒的超快激光脉冲（蓝光）操纵。
基于冷原子的量子计算机
冷原子量子计算机基于激光冷却和俘获技术。这些技术有助于使用光镊将冷原子阵列排列成任意形状，并允许单独观察每个形状。
因为原子是天然的量子系统，它们可以轻松存储量子信息，这是量子计算机的基本构建块（“量子比特”）（见图 2）。此外，这些原子与周围环境隔离的非常好，并且彼此独立。一个量子比特的相干时间（量子叠加持续的时间）可以达到几秒。然后通过将原子的一个电子激发到一个巨大的电子轨道（称为里德堡轨道）中来执行双量子位门（量子计算的基本基本算术元素）。
图 2. 使用铷原子的量子比特示意图。
凭借这些技术，冷原子平台已成为最有前途的量子计算机硬件候选者之一，引起了世界各地工业界、学术界和政府的关注。特别是，与目前正在开发的超导和俘获离子类型相比，它具有革命性的潜力，因为它可以很容易地扩大规模，同时保持高相干性。
量子门
量子门是构成量子计算的基本算术元素。它们对应于传统经典计算机中的 AND 和 OR 等逻辑门。有操纵单个量子位状态的单量子位门和在两个量子位之间产生量子纠缠的双量子位门。双量子比特门是量子计算机高速性能的来源，在技术上具有挑战性。最重要的双量子位门称为“受控 Z 门（CZ 门）”，这是一种根据状态（|0⟩或|1⟩）将第一个量子位的量子叠加从 0 + 1 翻转到 0-1 的操作（见图 3）。
图 3. 量子门的操作。当原子 1 处于“0”状态时，什么也没有发生。当原子 1 处于“1”状态时，原子 2 的叠加符号由正变为负。此操作是在量子计算机上运行的量子算法的核心。
量子门的精度（保真度）很容易受到来自外部环境和工作激光器的噪声的影响，这给量子计算机的开发带来了困难。由于噪声的时间尺度一般都慢于一微秒，如果能实现比这足够快的量子门，就可以避免因噪声而导致计算精度下降，离实现通用量子计算机更进一步。因此，过去 20 年来，所有的量子计算机硬件研究都在追求更快的门。该研究利用冷原子硬件实现了6.5纳秒的超快门，比噪声快了两个数量级以上，因此可以忽略噪声的影响。此前的世界纪录是在2020年使用超导电路的谷歌AI创造的15纳秒。
实验方法
该实验是使用铷原子进行的。首先，使用激光束将气相中的两个铷原子冷却至约1/100,000开尔文的超低温，再用光镊以微米间隔排列。然后，研究人员用超短激光脉冲照射它们，该脉冲仅发射 1/100 亿分之一秒的光，并观察发生的变化。分别被困在两个相邻原子（原子 1 和原子 2）的最小轨道（5S）中的两个电子被撞入巨大的电子轨道（里德堡轨道，此处为 43D）。然后，这些巨大原子之间的相互作用导致轨道形状和电子能量的周期性来回交换，周期为 6.5 纳秒。
在一次振荡之后，量子物理定律决定了波函数的符号被翻转，从而实现了双量子比特门（受控 Z 门）。利用这种现象，他们使用量子比特（图 2）进行了量子门操作，其中 5P 电子状态为|0⟩状态，43D 电子状态为|1⟩状态。原子 1 和 2 分别制备为量子比特 1 和 2，并使用超短激光脉冲诱导能量交换。在一个能量交换周期中，只有当量子比特1 处于|1⟩状态时，量子比特2 的叠加状态的符号才会反转（图 3）。研究小组通过实验观察到这种符号翻转，从而证明一个双量子比特门可以在 6.5 纳秒内运行，这是世界上最快的速度。
结论
在过去的 20 年里，所有的量子计算机硬件都在寻求更快的门来避免外部噪声的影响，但这会降低计算的准确性。这次使用冷原子硬件实现的 6.5 纳秒（纳秒 = 十亿分之一秒）的超快量子门，比噪声快两个数量级以上，因此可以忽略噪声的影响。冷原子量子计算机具有革命性的潜力，与目前正在开发的超导和离子阱量子计算机相比，它可以很容易地扩大到更大的规模，同时保持高相干性，作为下一代量子计算机硬件受到业界、学术界和政府的关注。实现世界上最快的超快门的实现，这次是通过一种全新的方法实现的，该方法“使用超快激光器将两个微米间距的原子冷却到几乎绝对零度”，预计将大大加快全球对冷原子硬件的关注。
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