近日，中國(guó)科學(xué)院精密測(cè)量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院詹明生、許鵬團(tuán)隊(duì)在中性原子量子計(jì)算領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性提出并在實(shí)驗(yàn)上演示了一種基于光纖陣列的原子量子計(jì)算新架構(gòu)，成功解決了中性原子體系中尋址操控同時(shí)兼具高并行、高速率、高穩(wěn)定性的挑戰(zhàn)，相關(guān)成果以“A fiber array architecture for atom quantum computing”為題發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《Nature Communications》上。
導(dǎo)語(yǔ)
量子計(jì)算被認(rèn)為是下一代信息革命的關(guān)鍵技術(shù)。中性單原子陣列因?yàn)榭蓴U(kuò)展、高保真門(mén)操作、相干時(shí)間長(zhǎng)、連接可重構(gòu)，被普遍視為最有希望邁向大規(guī)模、容錯(cuò)量子計(jì)算的平臺(tái)之一。可是，要想真正“編程”這些原子，首先要精準(zhǔn)點(diǎn)名每一個(gè)量子比特——這叫尋址。尋址做得好不好，直接影響整臺(tái)量子計(jì)算機(jī)的速度與穩(wěn)定性。
現(xiàn)狀與難點(diǎn)
現(xiàn)有的主流做法大致有兩類(lèi)：
·“原子找激光”：把原子在不同功能區(qū)之間“穿梭”來(lái)實(shí)現(xiàn)操作。優(yōu)點(diǎn)是連接靈活、并行度高；缺點(diǎn)是移動(dòng)會(huì)帶來(lái)空檔時(shí)間與加熱，復(fù)雜運(yùn)算易被拖慢。
·“激光找原子”：用聲光器件（AOD）快速轉(zhuǎn)動(dòng)強(qiáng)聚焦光束，輪流照射不同原子。優(yōu)點(diǎn)是速度快；但要同時(shí)操作許多原子就吃力，而且長(zhǎng)期精準(zhǔn)對(duì)準(zhǔn)不容易。
簡(jiǎn)單說(shuō)，一個(gè)偏向“并行與靈活”，一個(gè)偏向“切換速度”，很難兩全。
我們的新辦法：每個(gè)比特都有“獨(dú)立光通道”
研究團(tuán)隊(duì)提出并實(shí)驗(yàn)證明了一種基于光纖陣列的原子量子計(jì)算新架構(gòu)：
·一比特一通道：給每個(gè)量子比特配一條獨(dú)立光纖控制通道；
·兩束光同路：負(fù)責(zé)“抓住原子”的囚禁光，和負(fù)責(zé)“操作原子”的尋址光，走同一條光路并聚焦到同一點(diǎn)；
·天然對(duì)準(zhǔn)、互不打擾：等于給每個(gè)原子配備上了自己的“專(zhuān)屬通道”，對(duì)準(zhǔn)關(guān)系天然成立，彼此之間不搶道。
這意味著：可以同時(shí)對(duì)很多比特下達(dá)不同指令（高并行），無(wú)需排隊(duì)等待（幾乎零閑置），而且長(zhǎng)期運(yùn)行更穩(wěn)定。
關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)進(jìn)展
在原型系統(tǒng)中，團(tuán)隊(duì)在光纖陣列形成的光阱里穩(wěn)定囚禁了 10 個(gè)單原子，并且首次在二維原子陣列中展示了高保真的“任意單比特門(mén)”并行操控；同時(shí)清晰觀測(cè)到兩原子的里德堡阻塞效應(yīng)——這是實(shí)現(xiàn)高保真兩比特門(mén)的關(guān)鍵物理基礎(chǔ)。更重要的是，這個(gè)架構(gòu)可以通過(guò)復(fù)制通道來(lái)擴(kuò)大規(guī)模，并且兼容集成光子芯片，為邁向大規(guī)模中性原子量子計(jì)算鋪平道路。
同行評(píng)價(jià)（審稿人摘錄）
“This is a nice piece of work providing a new way to build neutral atom quantum computers. I believe this work has important and direct contributions to the quantum computing community. It also impacts widely to the study of quantum simulation, light-matter interaction, and quantum information sciences. ”
“這是一項(xiàng)出色的工作，為構(gòu)建中性原子量子計(jì)算機(jī)提供了新途徑。我認(rèn)為該研究對(duì)量子計(jì)算領(lǐng)域具有重要而直接的貢獻(xiàn)，同時(shí)也將對(duì)量子模擬、光–物質(zhì)相互作用以及量子信息科學(xué)的研究產(chǎn)生廣泛影響。”
該研究工作得到了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中國(guó)科學(xué)院、湖北省等支持。
