潘建伟院士的新型光量子计算架构

中国科学家潘建伟院士、苑震生教授等人对量子纠缠新的研究成果为一套全新的高性能量子计算机架构奠定了基础。

研究人员使用光晶格中束缚的超冷原子，通过制备二维原子阵列、产生原子比特纠缠对、连接纠缠对的分步扩展方式制备了多原子纠缠态，并通过显微学技术调控和观测了其纠缠性质，向制备和测控大规模中性原子纠缠态迈出重要一步。这项研究成果近日发表于《物理评论快报》。

这条新闻中有太多新概念了，但当我们读懂这条新闻时，就能对光量子计算机就能有一个更全面的了解了（图1）。

图1：实验系统示意图

01

量子纠缠

量子纠缠是一种神奇的量子力学现象，两个或多个粒子在彼此相互作用后，它们的状态将变成高度关联的整体，改变其中一个粒子的状态，另一个粒子的状态也会立即改变。

中性原子体系近年来被认为是量子计算的潜力平台。在这个体系中，原子核的自旋可以被用作量子比特，原子之间的纠缠可以被用来实现量子逻辑门。其计算能力将随纠缠比特数目的增长呈指数增长。但如何制备大规模中性原子纠缠态就是该领域发展的最大障碍。现在该团队已经制备出了10原子一维纠缠链和8原子二维纠缠块，为这套全新的量子计算机架构奠定了技术基础（图2）。

图2：制备一维量子纠缠链和二维纠缠块

02

光晶格中束缚的超冷原子

这项新技术中的关键词是光晶格。激光的光波有波峰和波谷，在空间上就形成了一个个能量的小凹陷，原子可以停在这个凹陷里，激光就像可以夹住原子的小镊子。

研究人员用光栅把红蓝双色激光分成多束并组成结构稳定的光网，这张光网就叫光晶格，你可以把它想象成电影里的安防激光阵列。原子被夹在光网的一个个小格子里，这些小格子叫做势能阱（图3）。

图3：光晶格和纠缠的超冷原子

我们知道温度其实是粒子运动的宏观表现，完全不能动的粒子其温度就是绝对零度。不同颜色的激光频率不同，科研人员通过调整光晶格的激光频率就能改变波的形状，进而缩小势能阱，把原子束缚在微小的势能阱中无法动弹，这样我们就获得了超冷原子。

03

超冷原子形成多原子纠缠态

超冷原子的热效应低，量子力学效应就占据了主导位置，只要条件合适就很容易产生量子纠缠。

研究人员使用双色激光，构建了“交叉角度自旋相关”的光学超晶格，可以控制两个或多个超冷原子的自旋，让它们通过“超交换效应”机制产生量子纠缠。在量子气体显微镜下10原子在纠缠链形成前后自旋发生了变化（图4）。

图4：10原子纠缠链的自旋关联

04

能编程才是量子计算机

想要作为新的量子计算机架构平台，除了需要有足够多量子纠缠作为量子比特外，还需要可以编程的逻辑门。研究人员使用的量子气体显微镜可以对单个原子的位置和自旋状态进行精确测量和操作。虽然不像电脑上敲代码，但单独操作原子自旋就是这种量子计算机的编程方式了。

05

技术难点

量子计算机的计算能力随纠缠比特数目的增长呈指数增长。潘建伟与北京大学袁骁研发的“祖冲之二号”就达到了66个量子比特。那么这项新的光晶格技术提升量子比特的难点在哪里呢？研究人员目前遇到的主要问题是“量子门的累积噪声和量子门的退相干会对生成的多粒子纠缠的保真度产生影响”。

也就是说随着纠缠原子的增加，累积噪声会让已经产生纠缠的原子退出纠缠状态，这就需要优化投影补偿模式和提高光栅激光的偏振稳定性，以减少系统中的不均匀性。

06

强在哪里

这项新成果强在三点，一是研究人员发明了“交叉角度自旋相关”的光学超晶格结构，这是一种前景广阔的全新技术。

二是使用量子气体显微镜配合超晶格结构，实现了对单个原子的操控。通过对多个原子的精细操控达到了编程的目的。

三是构建了可扩展的多粒子功能模块。传统方法要让两个原子先形成贝尔对发生量子纠缠，然后再两两相连形成更大的纠缠系统，效率低难度高，提升量子比特数苦难重重。而新系统可以将多条一维纠缠链组成二维纠缠块，理论上可以高效提升比特数。

总之，该项成果是开创性的，为使用光学超晶格构制造量子计算机奠定了基础。也许未来实用的量子计算机不是超导量子比特的祖冲之，也不是光量子的九章，而是使用光学超晶格的光量子计算机。

编辑｜张毅

审核｜吴新

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