量子計算或將迎來重大突破，麻省理工學院物理學家制造全新量子寄存器

近幾年，量子計算逐漸進入了大眾視野，頻繁地出現在新聞頭條。量子計算是一種基于量子力學原理的新型計算模式，不同于現代經典計算機只能處理0和1，量子計算可以處理0和1的疊加態。按照這種模式設計的計算機稱為量子計算機，理論上其計算速度能遠遠超過傳統計算設備。

最近，麻省理工學院的物理學家通過實驗制造了一種全新的量子寄存器裝置，并實現了對寄存器中單個量子比特的精準操控。該研究團隊利用激光干涉形成二維網狀勢阱，捕獲了大約400對中性鉀-40冷原子，制造了一種光學晶格結構，并成功地在每個原子對中觀測到了兩種不同量子振動行為的疊加態，發現了全新的量子比特。

隨后，該團隊還利用外部磁場與鉀-40原子對的共振效應實現了對單個量子比特振動模式的調控。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、電子研究實驗室下的MIT-Harvard超冷原子中心成員，該成果于2022年1月26日發表在《自然》上。

量子寄存器的示意圖。寄存器中存儲的鉀-40量子比特類似于一對一對的鐘擺，每對鐘擺都有自己的振動模式，有的同步振動，有的相向振動，也有的是兩種振動模式的混合

一言以蔽之，量子比特（Qubit，又譯作“量子位”）是一個兩能級系統（即具有兩種可能的能量取值），它是量子計算的基本單位。在現代經典計算機中，所有的信息都是二進制的，一個經典比特可以存儲0與1這兩個狀態之一。

而在量子計算機中，一個量子比特可以存儲0和1以任意概率比例混合的疊加狀態（通常用長度為2的向量表示）。對量子比特的單次測量結果既可能得到0態，也可能得到1態，測量結果按照混合概率隨機出現。

量子理論證明，一個量子比特能夠同時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，執行一系列邏輯運算，實現多個信息流的并行處理，從而快速解決傳統計算機需要很長時間才能處理的問題。

經典比特（左）與量子比特（右）示意圖：左圖代表一個經典比特只能處于0或1態之一，右圖代表一個量子比特可以是0態和1態的疊加（洋紅色），關于為什么只有上半球以及0與1的疊加態不與0、1共面，可以理解為概率值是非負實數及復數作為疊加系數的效果

2019年，美國Google公司研發了超導量子比特原型機“懸鈴木”，利用53個超導量子比特在200秒內實現了對一個隨機量子電路輸出信號的采樣。同樣的問題如果用現有最強超級計算機解決，則需要花費2天半的時間。

2020年以來，中國科學技術大學潘建偉團隊成功研制了76個以上比特的量子計算原型機“九章”系列，采用糾纏態的光子作為量子比特，比Google的“懸鈴木”還要快百億倍。

2021年，中國科學技術大學團隊還研制了可編程超導量子計算原型機“祖沖之”號，這也是量子計算領域的重大突破。

目前，學術界比較流行的量子比特主要有4種：超導量子比特（利用超導電路和電磁波實現電流信號的量子振蕩），半導體量子比特（向半導體納米器件中注入電子，利用電磁波控制其量子態），離子阱量子比特（將帶電離子通過電磁場限定在有限空間內，利用其基態和激發態作為量子比特），光量子比特（通過單光子源和復雜光路制備糾纏態的光子）等。

其中，以超導量子比特的研究成果最為豐富，但其對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零度的溫度下工作，不利于設備的擴展和集成化。此外，量子比特通常比較“脆弱”，極其微弱的環境影響都能讓0與1混合的量子疊加態“退相干”到簡單態0或1之一。

因此，能否長時間維持量子疊加態，是量子比特性能的一個重要指標。大部分現有量子比特技術的相干時間能達到微秒或毫秒的量級。

麻省理工學院團隊發現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百個堿金屬同位素鉀-40的中性冷原子。與超導量子器件不同，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，在室溫下比較穩定，而且對制造工藝的要求不高。僅僅這兩個優點，就讓該技術成為了一種非常“自然”的量子比特候選方案。

麻省理工學院團隊在制備量子寄存器的實驗中用到了光學晶格技術，這是一種囚禁中性冷原子的方法。該團隊利用激光干涉形成電磁場駐波勢阱，通過該電磁場作用在中性原子上產生的偶極力，將原子囚禁在駐波的波腹或波節處。并且，每個勢阱都捕獲了一對鉀-40原子。

該團隊最初在單個原子對中發現了多個量子態的存在：兩個鉀-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。隨后，該團隊觀察到了一種稱為“費什巴赫共振”的現象，即對原子對施加一定的磁場，能夠影響其處于不同量子態的概率。

光學晶格示意圖（a），鉀-40原子對的能量隨外加磁場的變化（b），通過改變外加磁場實現對單個原子對（即量子比特）量子態的調控（c）

如下圖c所示，麻省理工學院團隊通過外部磁場將一定能量注入到單個原子對中，從而調控了量子比特中兩個鉀原子之間相互作用形式（由排斥到吸引，或由吸引到排斥），進而控制了其振動模式（即量子態）。

為了進一步探測量子寄存器中數百個量子比特的狀態，研究者們利用激光對量子比特進行了熒光成像。他們發現，絕大多數量子比特都會呈現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量子態之間發生了振蕩。利用費什巴赫共振，麻省理工學院團隊實現了對該振動頻率跨越三個數量級的調控，并且其量子態的相干時間達到了10秒以上。

不同量子態對激光的散射行為示意圖（左圖，只有特定量子態會吸收并輻射光子，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存量子信息，并作為分子鐘或量子計算中的計時器等。該論文通訊作者茨維爾萊因談到：“在實驗物理研究中經常會有一些明亮信號，但下一刻它們就會消失并且不會重現。但在這個實驗里，信號變暗了，接著又亮了，而且反復振蕩。這表明（量子比特）存在一種隨時間演化的相干疊加態，（這個發現）真是個快樂時刻。”

值得一提的是，利用光學晶格捕獲超冷原子氣體并觀察其量子效應，是凝聚態物理研究的熱點之一。該領域不僅和化學、生物醫學等學科廣泛交叉，而且和精密測量、量子信息等應用方向緊密相關。

麻省理工學院的研究者們利用精心設計的實驗開發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備，只需維持超高真空環境，隔離了環境噪聲，其量子態的相干時間比其他量子比特更長。

此外，該寄存器對工藝要求不高，量子比特數目容易擴展，因而與光子、超導等熱門量子比特方案相比，具有一定優越性。這一重要成果為量子計算的基本元器件開辟了新的思路，有可能大大提高量子計算的效率，并加快實用量子計算機的到來。

當然，麻省理工學院團隊也面臨一系列技術上的挑戰，例如如何使量子比特的相干時間更長（清華大學研究團隊于2021年實現了量子比特大于1小時的相干時間），從而提高量子比特的操作次數;如何在該裝置的基礎上實現量子邏輯門，并完成量子運算的步驟等。總的來說，制造通用型量子計算機，還有很長的路要走。（綜合整理報道）（編輯/華生）