迄今最快的雙量子位門實現

科技日報北京8月8日電 （記者張夢然）日本國立自然科學研究院分子科學研究所（IMS）的科學家使用光鑷來捕獲兩個冷卻到幾乎絕對零且僅相隔一微米的原子，然後用僅發光10皮秒（1皮秒為萬億分之一秒）的特殊激光束操縱原子，成功執行了世界上最快的雙量子位門，其運行時間僅為6.5納秒（1納秒為十億分之一秒）。8日發表在《自然·光子學》在線版上的該成果，有望催生全新的量子計算機硬件，突破目前正在開發的超導和離子阱量子計算機的限制。

冷原子平台已成為量子計算機硬件最有希望的候選裝置之一。與超導和離子阱類型相比，它可很容易地擴大到更大的規模，同時保持高相干性，這使其具有革命性的潛力，並作為下一代量子計算機硬件吸引了各界的關注。

量子門是構成量子計算的基本算術元素，包括單量子位門和雙量子位門。這次成功實現的是最重要的雙量子位門之一，稱為“受控Z門”。量子門的精度（保真度）很容易受到來自外部環境和工作激光器噪聲的影響，這使得量子計算機的發展變得困難。由於噪聲的時間尺度一般慢於1微秒，如果能夠實現比這快的量子門，就可以避免因噪聲而導致計算精度下降，將更接近於實現一台實用的量子計算機。

在過去的20年裏，所有的量子計算機硬件都在追求更快的門。這次使用冷原子硬件實現的6.5納秒超快門比噪聲快兩個數量級以上，因此可忽略噪聲的影響。而之前的世界紀錄是15納秒。

新實驗使用銣原子進行。首先，研究人員使用激光束將已冷卻至約超低温氣相中的兩個銣原子用光鑷以微米間隔排列；然後用超短激光脈衝照射它們，使困在最小軌道中的兩個電子被撞入巨大的裏德堡軌道；然後，這些原子之間的相互作用導致軌道形狀和電子能量的週期性來回交換，週期為6.5納秒，通過這樣的振盪實現了雙量子位門。

利用這種現象，研究人員使用量子位進行了量子門操作，從而證明一個雙量子位門可在6.5納秒內運行，這是目前世界上最快的。

【總編輯圈點】

邏輯門是計算機的基本組成部分，邏輯門有3個種類：與、或、非。在傳統電腦中，用半導體做的二極管和三極管來實現各種門，但量子計算機有全新的機制，因此無法使用經典的門電路和門結構，必須從底層重新設計和建造。要用不同的原料，採用不同的結構，這就考驗量子光學基礎研究的水平——能不能像控制足球一樣，精確地停球、傳球、射門。“射門”的道理誰都知道，但射得準不準、穩不穩，就能體現出國際巨星和普通愛好者之間的差距了。