中性原子体系迈向可扩展通用量子计算机

来源:Nature发布时间:2022-04-20

  哈佛大学和威斯康星大学麦迪逊分校的两个研究团队分别展示了如何在中性原子体系构建多量子比特量子电路,这是在中性原子体系上实现实用、可扩展量子计算机的关键一步。两篇论文于4月20日发表在《自然》杂志上。

  中性原子平台以冷原子为基础,冷原子通过使用激光创建的单个陷阱保持在一个阵列中。这些原子可以被聚焦的激光束(光镊)操纵,从而将它们重新排列成所需的几何形状。原子之间的间距通常为微米,因此包含数百个原子的阵列宽度可能小于50微米,可以产生的陷阱数量仅受可用激光功率的限制。研究人员通常使用原子的高激发态(里德堡态)来执行逻辑门操作。当一个原子处于里德堡态时,它的一个电子被激发到一个高能级,并且在物理上远离带正电的原子核。这种分离产生了一个大的偶极矩,就像一个小的条形磁铁,它的作用是使两个里德堡原子相互作用非常强烈,这意味着可以快速执行门操作。然而,里德堡态的寿命非常短,通常为数百微秒,这使得以前的实验中相干时间仅限于几微秒。通过使用里德堡态作为在低能态之间创建纠缠的管道,两个小组都能够构建基于激光的门,可以执行快速门操作并实现较长的相干时间。特别是,哈佛大学的研究团队使用了核磁共振研究中开发的协议,将相干时间延长到秒级。

  哈佛大学团队Bluvstein等人[1]用光镊将阵列中不相邻的原子纠缠在一起,在门操作之间移动原子。作者证明,这种体系结构可以用来实现确定的量子信息态,包括簇态和复曲面码态。然后,他们进一步利用原子的无序排列来测量量子模拟中的纠缠度——一个被称为纠缠熵的量。他们还测量了纠缠熵的演化,以探索量子多体疤痕的复杂动力学,这些疤痕是一种特殊的状态,与环境之间无法达到热平衡。

  威斯康星大学麦迪逊分校团队Graham等人[2]发展了一种多量子比特的互补纠缠方法。他们没有改变原子的位置来纠缠量子态,而是利用光镊来驱动门。这就允许他们保持阵列的静态,并对指定的原子对执行门操作。该团队实现了最多6个量子比特的纠缠Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ)态的制备,演示了使用成熟的量子算法计算氢分子的分子能量。最后,他们实现了一种经典-量子混合算法来解决当一个图(网络)一分为二时,如何最大化切割的边数的问题。这就是所谓的MaxCut问题,它是“NP-hard”,是计算机科学中最复杂的一类问题。

  这两个小组提出技术的结合将为量子计算带来一个强大而多功能的平台。由于哈佛团队的技术将不相邻的原子连接起来,他们的方法允许创建复杂的量子电路,缺点是门操作间隔时间较长。威斯康星大学麦迪逊分校的团队能够非常快速地实现时序门,允许独立、并行的门操作,这使得构建更大的电路成为可能。

  该领域的下一个挑战是提高门保真度,99%以上的两比特量子门操作保真度对于量子算法的可靠执行和实现容错量子计算很重要,而目前这两个工作均未达到。此外,要扩展到一台实用的量子计算机,原子需要冷却到几乎静止,所用激光脉冲的波形需要优化,激光功率需要增加。

  论文链接:

  [1]https://www.nature.com/articles/s41586-022-04592-6

  [2]https://www.nature.com/articles/s41586-022-04603-6

  报道链接:https://www.nature.com/articles/d41586-022-01029-y

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