陳根：512個量子位的中性原子體系，量子計算更進一步_風聞

文/陳根

1900 年，德國物理學家普朗克（Max Planck）提出量子概念，打開了量子世界的大門。基於量子學説而誕生的量子計算機擁有高出普通計算機數十甚至數百倍的算力，是吸引了無數科技公司、大型學術團體乃至中國政府的研究熱點。

其中，在普通的日常計算機中，信息的基本單位是位（Bit）。所有這些計算機所做的事情都可以被分解成 0s 和 1s 的模式，以及 0s 和 1s 的簡單操作。與傳統計算機由比特構成的方式類似，量子計算機由量子比特（quantum bits）或量子位（qubits）構成，一個量子比特對應一個狀態（state）。但是，比特的狀態是一個數字（0 或 1），而量子比特的狀態是一個向量。更具體地説，量子位的狀態是二維向量空間中的向量。這個向量空間稱為狀態空間。

相較於經典計算，基於量子比特特性的量子計算機優勢顯而易見。經典計算機中的2位寄存器一次只能存儲一個二進制數，而量子計算機中的2位量子比特寄存器可以同時保持所有4個狀態的疊加。當量子比特的數量為n個時，量子處理器對n個量子位執行一個操作就相當於對經典位執行2n個操作，這使得量子計算機的處理速度大大提升。**可以説，**量子計算機最大的特點就是速度快。

也就是説，隨着量子處理器的規模擴大，每增加一個量子位，空間複雜度（執行算法所需的內存空間量）就會加倍，從而使經典計算機能夠可靠地模擬量子電路，而空間複雜度加倍帶來的好處就是讓人們進入超越經典計算機能力的領域。

但顯然，這不是一個容易的過程。此前，用於量子計算的中性原子體系只侷限於單個原子元素陣列。但由於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。

現在，芝加哥大學普利茲克分子工程學院助理教授Hannes Bernien所帶領的團隊創造了一個由銣原子和銫原子構成的雙元素中性原子陣列，可以單獨控制每個原子，實現了首個由512個量子位組成的中性原子體系。

**要知道，**目前，谷歌和IBM公司的量子計算機由超導電路構成，只達到約130個量子位。儘管芝加哥大學團隊的設備還不算是量子計算機，但由原子陣列製成的量子計算機將更容易擴大規模，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。芝加哥大學團隊使用512個光鑷捕獲銣原子、銫原子各256個，並觀察到兩個元素之間的干擾能夠忽略不計。

這種原子陣列的混合特性也為許多應用打開了大門，這些應用無法通過單一元素原子實現。正如Bernien所表示的，“我們的工作已經啓發理論學家為此思考新的量子協議，這正是我所期望的。”