日本研究人员开发出最快的双量子位门

8月10日消息（南山）据国外媒体报道，日本国立自然科学研究院分子科学研究所（IMS）一个研究小组，使用光镊来捕获到两个冷却到几乎绝对零度的原子，并困在相隔一微米的距离，采用仅发光10皮秒（1皮秒为万亿分之一秒）的特殊激光束操纵原子，成功执行了世界上最快的双量子位门，操作时间仅为6.5纳秒（1纳秒为十亿分之一秒）。

这一研究成果发布在《自然·光子学》在线版上，有望成为一种全新的量子计算机，突破目前正在开发的超导型和困住离子型的限制。

冷原子量子计算机是基于1997年"用激光冷却和捕获原子"和2018年“发明光学镊子”两项诺贝尔奖所奖励的激光冷却和捕获技术。这些技术有利于用光学镊子将冷原子阵列排列成任意的形状，并允许对每个原子进行单独观察。

由于原子是天然的量子系统，它们可以很容易地存储量子比特的信息，即量子计算机的基本构件“量子比特”。一个量子比特的相干时间可以达到几秒钟。然后，通过激发原子的一个电子进入一个巨大的电子轨道，称为雷德伯格轨道，来进行双量子比特门。

有了这些技术，冷原子平台已经成为制造量子计算机最有希望的候选者之一，吸引了全世界工业界、学术界和政府的关注。特别是，它具有革命性的潜力，因为与目前正在开发的超导和陷落离子类型相比，它可以很容易地扩大规模，同时保持高一致性。

量子门是构成量子计算的基本算术元素，包括单量子位门和双量子位门，对应于传统经典计算机中的逻辑门。这次成功实现的是最重要的双量子位门之一，称为“受控Z门”。

由于噪声的时间尺度一般慢于1微秒，如果能实现足够快于此的量子门，将有可能避免噪声导致的计算精度下降，使我们更接近实现实用的量子计算机。因此，在过去的20年里，所有的量子计算机研究都在追求更快的闸门。这项研究用冷原子硬件实现的6.5纳秒的超快门，比噪声快两个数量级以上，因此可以忽略其影响。之前的世界纪录是15纳秒，由谷歌AI在2020年用超导电路实现。

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