經(jīng)典計(jì)算機(jī)的單元是比特(bit)，量子計(jì)算的基礎(chǔ)是量子比特(qubit)。有科學(xué)家把量子比特比作“海邊一幅精美的沙畫，一個(gè)浪打過(guò)就沒(méi)了”。科學(xué)家們競(jìng)相尋找方法，試圖將量子體系盡量和環(huán)境隔絕以延長(zhǎng)被浪打沒(méi)的時(shí)間，但要操縱它又必須要與它發(fā)生作用。如何做到完美地操縱和隔離是對(duì)實(shí)驗(yàn)者技術(shù)的考驗(yàn)。

最近，中科院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所詹明生研究員團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了保真度超過(guò)99.99%、錯(cuò)誤率低于0.01%的原子量子態(tài)操控，突破了中性原子量子計(jì)算的一個(gè)重要障礙。這一研究成果被國(guó)際權(quán)威期刊《物理評(píng)論快報(bào)》選用發(fā)表。

超導(dǎo)、半導(dǎo)體作為量子計(jì)算的候選體系已經(jīng)取得了一系列研究進(jìn)展，為什么還要研究中性原子?中性原子用于量子計(jì)算到底有哪些優(yōu)勢(shì)?如何獲得國(guó)際最高精度的單比特量子態(tài)操控?科技日?qǐng)?bào)記者帶著這些問(wèn)題采訪了詹明生團(tuán)隊(duì)。

精度越高，計(jì)算結(jié)果越準(zhǔn)確

人類對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)，是從地球到太空，從宏觀到微觀，而量子力學(xué)就是描述微觀物質(zhì)的理論。量子力學(xué)雖然屢屢違反直覺并難以理解，但我們每天的日常生活都有它的影子。從簡(jiǎn)單的激光筆到手機(jī)到電腦，這些都是受量子力學(xué)支配的微觀粒子在宏觀上產(chǎn)生的效果。

團(tuán)隊(duì)副研究員何曉東介紹，量子力學(xué)的威力不僅限于此，當(dāng)它與計(jì)算這種操作相結(jié)合之后，將產(chǎn)生一種新的計(jì)算方式：量子計(jì)算。量子計(jì)算的應(yīng)用很廣，在量子模擬、人工智能、制藥、量子加密等領(lǐng)域都有用武之地，前途不可限量。

目前對(duì)量子計(jì)算的研究還在“小學(xué)階段”，還不能與現(xiàn)在的經(jīng)典計(jì)算機(jī)相比。單離子、核磁共振、光子、中性原子、固體量子點(diǎn)，以及最近很受工業(yè)界重視的超導(dǎo)電路，這些都是各國(guó)科學(xué)家們正在努力實(shí)現(xiàn)量子比特的方向。而詹明生團(tuán)隊(duì)選擇了中性原子作為實(shí)現(xiàn)量子比特的主攻方向。

副研究員許鵬對(duì)科技日?qǐng)?bào)記者說(shuō)，中性原子雖然是科學(xué)家比較早提出來(lái)作為實(shí)現(xiàn)量子比特的候選體系，但它是一個(gè)很難操控的粒子，一直無(wú)法突破達(dá)到一個(gè)比特99.99%操控精度的通用目標(biāo)。

這是一個(gè)比較大的門檻。我們可以設(shè)想，通過(guò)量子計(jì)算處理一個(gè)問(wèn)題時(shí)，需要對(duì)量子比特進(jìn)行多次的操控，假如每一次操控精度都不夠高，只有90%，那僅僅經(jīng)過(guò)7次操控，得到正確結(jié)果的概率就只有48%，這也意味著我們無(wú)法區(qū)分得到的結(jié)果是否正確。操控精度越高，得到的計(jì)算結(jié)果越準(zhǔn)確，可以操控的次數(shù)越多，才能處理更復(fù)雜的問(wèn)題。當(dāng)我們的操控精度達(dá)到99.99%時(shí)，操控的次數(shù)就可以達(dá)到7000次，更關(guān)鍵的是我們可以實(shí)現(xiàn)量子糾錯(cuò)，進(jìn)一步提高量子計(jì)算的容錯(cuò)能力。

許鵬告訴記者，他們?cè)谕瓿闪藛伪忍?9.99%操控精度后，就會(huì)轉(zhuǎn)向兩個(gè)比特99%操控精度的方向。

在做多量子比特上潛力非常大

上世紀(jì)80年代，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者理查德·費(fèi)曼等人提出構(gòu)想，基于兩個(gè)奇特的量子特性——量子疊加和量子糾纏構(gòu)建“量子計(jì)算”。

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)通過(guò)控制晶體管的高低電平，決

定一個(gè)比特是“1”還是“0”，組成數(shù)據(jù)序列串行處理。而疊加性讓一個(gè)量子比特可以同時(shí)具備“1”和“0”兩種狀態(tài)，糾纏性可以讓多個(gè)比特共享狀態(tài)，創(chuàng)造出“超級(jí)疊加”的量子并行計(jì)算，計(jì)算能力隨比特?cái)?shù)增加呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。

理論上講，量子計(jì)算機(jī)可以將傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)數(shù)萬(wàn)年才能處理的復(fù)雜問(wèn)題，幾秒鐘就解決。擁有300個(gè)量子比特，就能支持比宇宙中所有粒子數(shù)量更多的并行計(jì)算。

量子計(jì)算關(guān)乎未來(lái)的競(jìng)爭(zhēng)，已成為各國(guó)競(jìng)相爭(zhēng)逐的前沿科學(xué)。超導(dǎo)、半導(dǎo)體作為量子計(jì)算的候選體系已經(jīng)取得了一個(gè)又一個(gè)“戰(zhàn)果”，為什么還要用中性原子來(lái)做?許鵬解釋道，中性原子與離子非常接近，它也是自然界存在的粒子體系，通常一個(gè)原子的直徑在0.05納米和0.5納米之間，比頭發(fā)絲直徑還小幾千倍到幾萬(wàn)倍。原子有一個(gè)非常大的優(yōu)勢(shì)，在很小的范圍內(nèi)可做出很多個(gè)量子比特。

每多一個(gè)量子比特就代表著計(jì)算能力的大幅提升。許鵬說(shuō)：“這就像我們傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)里面的處理器，一開始大概集成了幾百個(gè)晶體管，后來(lái)到幾萬(wàn)個(gè)、幾十萬(wàn)個(gè)、幾千萬(wàn)個(gè)，到現(xiàn)在上億個(gè)。每一個(gè)晶體管就相當(dāng)于一個(gè)量子比特，量子比特越多，將來(lái)的計(jì)算潛力越大。”

當(dāng)然，要真正轉(zhuǎn)化為實(shí)際的計(jì)算能力，還需要有高保真、低誤差的普適量子門。許鵬表示，現(xiàn)在一方面他們?cè)谙虿倏氐米銐蚝玫姆较蚺?另一方面，中性原子量子計(jì)算候選體系在做多量子比特上具有非常大的潛力，這一點(diǎn)也是他們這個(gè)體系最大的優(yōu)勢(shì)。一旦把一個(gè)比特操控得很好之后，再做出很多個(gè)比特，就會(huì)向量子計(jì)算邁出堅(jiān)實(shí)的一步。

讓能級(jí)擾動(dòng)降低了一百倍

詹明生團(tuán)隊(duì)十年來(lái)一直在做一件事情——利用囚禁在光阱中的中性原子搭建量子計(jì)算機(jī)。2017年，團(tuán)隊(duì)曾在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了一種量子計(jì)算所需的關(guān)鍵邏輯門——兩個(gè)異核原子的受控非門，并利用該量子門演示了最簡(jiǎn)單的兩個(gè)量子比特計(jì)算，即將異核原子糾纏起來(lái)。

何曉東說(shuō)：“這次的研究與‘兩個(gè)異核原子的量子糾纏’不同，我們要解決的是量子計(jì)算所需的另一種普適量子門，即單比特量子邏輯門的操控精度問(wèn)題。”

在此前的實(shí)驗(yàn)研究中，國(guó)際上眾多研究組將激光成功地調(diào)制為光阱陣列用于裝載中性原子并以此為基礎(chǔ)搭建量子寄存器。但之前囚禁原子的激光都會(huì)對(duì)原子量子比特能級(jí)產(chǎn)生較大的擾動(dòng)，導(dǎo)致單量子比特邏輯門的操控精度存在較大誤差。

何曉東說(shuō)，通俗一點(diǎn)講，要達(dá)到極高的精度，一方面操控手段要足夠精確，好比你需要一把高精度的狙擊槍，另一方面原子狀態(tài)也必須足夠穩(wěn)定，也就是靶子不要亂晃;這樣當(dāng)你對(duì)準(zhǔn)后，才能槍槍命中靶心。囚禁光場(chǎng)對(duì)原子能級(jí)的擾動(dòng)問(wèn)題也成為基于中性原子搭建實(shí)用型量子計(jì)算機(jī)的障礙之一。

分析表明，解決該問(wèn)題的途徑在于有效壓制囚禁光場(chǎng)對(duì)原子的擾動(dòng)。為此，該研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)了魔幻光強(qiáng)技術(shù)，將囚禁原子激光引起的擾動(dòng)降低了一百倍，使得量子比特的相干性保存時(shí)間達(dá)到秒量級(jí)。緊接著，他們利用該技術(shù)構(gòu)造了新型的量子寄存器，能夠提供高品質(zhì)的量子比特，最終解決了單比特門的操控精度問(wèn)題，該精度能與囚禁離子相媲美。但與離子相比，中性原子因?yàn)椴粠щ姡梢愿奖愕貥?gòu)成光阱原子陣列，實(shí)現(xiàn)多比特?cái)U(kuò)展。

詹明生介紹，該研究成果是該團(tuán)隊(duì)發(fā)展的魔幻光強(qiáng)囚禁原子與量子態(tài)精密操控技術(shù)在高保真全局單比特量子邏輯門的成功應(yīng)用，將推動(dòng)中性原子量子計(jì)算的發(fā)展，為下一步構(gòu)造可擴(kuò)展的中性原子量子信息處理技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。