量子計(jì)算或?qū)⒂瓉碇卮笸黄?，麻省理工學(xué)院物理學(xué)家制造全新量子寄存器

近幾年，量子計(jì)算逐漸進(jìn)入了大眾視野，頻繁地出現(xiàn)在新聞?lì)^條。量子計(jì)算是一種基于量子力學(xué)原理的新型計(jì)算模式，不同于現(xiàn)代經(jīng)典計(jì)算機(jī)只能處理0和1，量子計(jì)算可以處理0和1的疊加態(tài)。按照這種模式設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)稱為量子計(jì)算機(jī)，理論上其計(jì)算速度能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)計(jì)算設(shè)備。

最近，麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家通過實(shí)驗(yàn)制造了一種全新的量子寄存器裝置，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)寄存器中單個(gè)量子比特的精準(zhǔn)操控。該研究團(tuán)隊(duì)利用激光干涉形成二維網(wǎng)狀勢(shì)阱，捕獲了大約400對(duì)中性鉀-40冷原子，制造了一種光學(xué)晶格結(jié)構(gòu)，并成功地在每個(gè)原子對(duì)中觀測(cè)到了兩種不同量子振動(dòng)行為的疊加態(tài)，發(fā)現(xiàn)了全新的量子比特。

隨后，該團(tuán)隊(duì)還利用外部磁場(chǎng)與鉀-40原子對(duì)的共振效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)單個(gè)量子比特振動(dòng)模式的調(diào)控。該論文一作托馬斯·哈特克、通訊作者馬丁·茨維爾萊因及其他合著者是MIT物理系、電子研究實(shí)驗(yàn)室下的MIT-Harvard超冷原子中心成員，該成果于2022年1月26日發(fā)表在《自然》上。

量子寄存器的示意圖。寄存器中存儲(chǔ)的鉀-40量子比特類似于一對(duì)一對(duì)的鐘擺，每對(duì)鐘擺都有自己的振動(dòng)模式，有的同步振動(dòng)，有的相向振動(dòng)，也有的是兩種振動(dòng)模式的混合

一言以蔽之，量子比特（Qubit，又譯作“量子位”）是一個(gè)兩能級(jí)系統(tǒng)（即具有兩種可能的能量取值），它是量子計(jì)算的基本單位。在現(xiàn)代經(jīng)典計(jì)算機(jī)中，所有的信息都是二進(jìn)制的，一個(gè)經(jīng)典比特可以存儲(chǔ)0與1這兩個(gè)狀態(tài)之一。

而在量子計(jì)算機(jī)中，一個(gè)量子比特可以存儲(chǔ)0和1以任意概率比例混合的疊加狀態(tài)（通常用長(zhǎng)度為2的向量表示）。對(duì)量子比特的單次測(cè)量結(jié)果既可能得到0態(tài)，也可能得到1態(tài)，測(cè)量結(jié)果按照混合概率隨機(jī)出現(xiàn)。

量子理論證明，一個(gè)量子比特能夠同時(shí)與眾多其他量子比特通過量子邏輯門完成通信和相互作用，執(zhí)行一系列邏輯運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)多個(gè)信息流的并行處理，從而快速解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)需要很長(zhǎng)時(shí)間才能處理的問題。

經(jīng)典比特（左）與量子比特（右）示意圖：左圖代表一個(gè)經(jīng)典比特只能處于0或1態(tài)之一，右圖代表一個(gè)量子比特可以是0態(tài)和1態(tài)的疊加（洋紅色），關(guān)于為什么只有上半球以及0與1的疊加態(tài)不與0、1共面，可以理解為概率值是非負(fù)實(shí)數(shù)及復(fù)數(shù)作為疊加系數(shù)的效果

2019年，美國Google公司研發(fā)了超導(dǎo)量子比特原型機(jī)“懸鈴木”，利用53個(gè)超導(dǎo)量子比特在200秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)了對(duì)一個(gè)隨機(jī)量子電路輸出信號(hào)的采樣。同樣的問題如果用現(xiàn)有最強(qiáng)超級(jí)計(jì)算機(jī)解決，則需要花費(fèi)2天半的時(shí)間。

2020年以來，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團(tuán)隊(duì)成功研制了76個(gè)以上比特的量子計(jì)算原型機(jī)“九章”系列，采用糾纏態(tài)的光子作為量子比特，比Google的“懸鈴木”還要快百億倍。

2021年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)團(tuán)隊(duì)還研制了可編程超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)“祖沖之”號(hào)，這也是量子計(jì)算領(lǐng)域的重大突破。

目前，學(xué)術(shù)界比較流行的量子比特主要有4種：超導(dǎo)量子比特（利用超導(dǎo)電路和電磁波實(shí)現(xiàn)電流信號(hào)的量子振蕩），半導(dǎo)體量子比特（向半導(dǎo)體納米器件中注入電子，利用電磁波控制其量子態(tài)），離子阱量子比特（將帶電離子通過電磁場(chǎng)限定在有限空間內(nèi)，利用其基態(tài)和激發(fā)態(tài)作為量子比特），光量子比特（通過單光子源和復(fù)雜光路制備糾纏態(tài)的光子）等。

其中，以超導(dǎo)量子比特的研究成果最為豐富，但其對(duì)材料和器件制造工藝要求非常高。而且，它只能在略高于絕對(duì)零度的溫度下工作，不利于設(shè)備的擴(kuò)展和集成化。此外，量子比特通常比較“脆弱”，極其微弱的環(huán)境影響都能讓0與1混合的量子疊加態(tài)“退相干”到簡(jiǎn)單態(tài)0或1之一。

因此，能否長(zhǎng)時(shí)間維持量子疊加態(tài)，是量子比特性能的一個(gè)重要指標(biāo)。大部分現(xiàn)有量子比特技術(shù)的相干時(shí)間能達(dá)到微秒或毫秒的量級(jí)。

麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)的量子比特與前面提到的4種都不同，他們首次成功地利用激光捕獲了數(shù)百個(gè)堿金屬同位素鉀-40的中性冷原子。與超導(dǎo)量子器件不同，該量子寄存器雖然利用了冷原子，但是器件本身不需要制冷，在室溫下比較穩(wěn)定，而且對(duì)制造工藝的要求不高。僅僅這兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)，就讓該技術(shù)成為了一種非?！白匀弧钡牧孔颖忍睾蜻x方案。

麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)在制備量子寄存器的實(shí)驗(yàn)中用到了光學(xué)晶格技術(shù)，這是一種囚禁中性冷原子的方法。該團(tuán)隊(duì)利用激光干涉形成電磁場(chǎng)駐波勢(shì)阱，通過該電磁場(chǎng)作用在中性原子上產(chǎn)生的偶極力，將原子囚禁在駐波的波腹或波節(jié)處。并且，每個(gè)勢(shì)阱都捕獲了一對(duì)鉀-40原子。

該團(tuán)隊(duì)最初在單個(gè)原子對(duì)中發(fā)現(xiàn)了多個(gè)量子態(tài)的存在：兩個(gè)鉀-40原子既可能相互吸引，也可能相互排斥，與它們攜帶的能量有關(guān)。隨后，該團(tuán)隊(duì)觀察到了一種稱為“費(fèi)什巴赫共振”的現(xiàn)象，即對(duì)原子對(duì)施加一定的磁場(chǎng)，能夠影響其處于不同量子態(tài)的概率。

光學(xué)晶格示意圖（a），鉀-40原子對(duì)的能量隨外加磁場(chǎng)的變化（b），通過改變外加磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)原子對(duì)（即量子比特）量子態(tài)的調(diào)控（c）

如下圖c所示，麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)通過外部磁場(chǎng)將一定能量注入到單個(gè)原子對(duì)中，從而調(diào)控了量子比特中兩個(gè)鉀原子之間相互作用形式（由排斥到吸引，或由吸引到排斥），進(jìn)而控制了其振動(dòng)模式（即量子態(tài)）。

為了進(jìn)一步探測(cè)量子寄存器中數(shù)百個(gè)量子比特的狀態(tài)，研究者們利用激光對(duì)量子比特進(jìn)行了熒光成像。他們發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)量子比特都會(huì)呈現(xiàn)明暗交替的周期性變化。這種變化表明，這些量子比特在兩個(gè)量子態(tài)之間發(fā)生了振蕩。利用費(fèi)什巴赫共振，麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)該振動(dòng)頻率跨越三個(gè)數(shù)量級(jí)的調(diào)控，并且其量子態(tài)的相干時(shí)間達(dá)到了10秒以上。

不同量子態(tài)對(duì)激光的散射行為示意圖（左圖，只有特定量子態(tài)會(huì)吸收并輻射光子，從而有熒光），量子寄存器中量子比特的熒光成像（右圖）

該論文指出，該寄存器裝置可以用于儲(chǔ)存量子信息，并作為分子鐘或量子計(jì)算中的計(jì)時(shí)器等。該論文通訊作者茨維爾萊因談到：“在實(shí)驗(yàn)物理研究中經(jīng)常會(huì)有一些明亮信號(hào)，但下一刻它們就會(huì)消失并且不會(huì)重現(xiàn)。但在這個(gè)實(shí)驗(yàn)里，信號(hào)變暗了，接著又亮了，而且反復(fù)振蕩。這表明（量子比特）存在一種隨時(shí)間演化的相干疊加態(tài)，（這個(gè)發(fā)現(xiàn)）真是個(gè)快樂時(shí)刻?！?/p>

值得一提的是，利用光學(xué)晶格捕獲超冷原子氣體并觀察其量子效應(yīng)，是凝聚態(tài)物理研究的熱點(diǎn)之一。該領(lǐng)域不僅和化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等學(xué)科廣泛交叉，而且和精密測(cè)量、量子信息等應(yīng)用方向緊密相關(guān)。

麻省理工學(xué)院的研究者們利用精心設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)開發(fā)了一種全新的量子比特和量子寄存器裝置。該裝置不需要龐大的制冷設(shè)備，只需維持超高真空環(huán)境，隔離了環(huán)境噪聲，其量子態(tài)的相干時(shí)間比其他量子比特更長(zhǎng)。

此外，該寄存器對(duì)工藝要求不高，量子比特?cái)?shù)目容易擴(kuò)展，因而與光子、超導(dǎo)等熱門量子比特方案相比，具有一定優(yōu)越性。這一重要成果為量子計(jì)算的基本元器件開辟了新的思路，有可能大大提高量子計(jì)算的效率，并加快實(shí)用量子計(jì)算機(jī)的到來。

當(dāng)然，麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)也面臨一系列技術(shù)上的挑戰(zhàn)，例如如何使量子比特的相干時(shí)間更長(zhǎng)（清華大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)于2021年實(shí)現(xiàn)了量子比特大于1小時(shí)的相干時(shí)間），從而提高量子比特的操作次數(shù);如何在該裝置的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)量子邏輯門，并完成量子運(yùn)算的步驟等?？偟膩碚f，制造通用型量子計(jì)算機(jī)，還有很長(zhǎng)的路要走。（綜合整理報(bào)道）（編輯/華生）