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用魔幻光强技术 让原子量子比特变“乖”

2019-02-12 09:25来源:科技日报

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  经典计算机的单元是比特(bit),量子计算的基础是量子比特(qubit)。有科学家把量子比特比作“海边一幅精美的沙画,一个浪打过就没了”。科学家们竞相寻找方法,试图将量子体系尽量和环境隔绝以延长被浪打没的时间,但要操纵它又必须要与它发生作用。如何做到完美地操纵和隔离是对实验者技术的考验。

  最近,中科院武汉物理与数学研究所詹明生研究员团队在国际上首次实现了保真度超过99.99%、错误率低于0.01%的原子量子态操控,突破了中性原子量子计算的一个重要障碍。这一研究成果被国际权威期刊《物理评论快报》选用发表。

  超导、半导体作为量子计算的候选体系已经取得了一系列研究进展,为什么还要研究中性原子?中性原子用于量子计算到底有哪些优势?如何获得国际最高精度的单比特量子态操控?科技日报记者带着这些问题采访了詹明生团队。

  精度越高,计算结果越准确

  人类对物质世界的认识,是从地球到太空,从宏观到微观,而量子力学就是描述微观物质的理论。量子力学虽然屡屡违反直觉并难以理解,但我们每天的日常生活都有它的影子。从简单的激光笔到手机到电脑,这些都是受量子力学支配的微观粒子在宏观上产生的效果。

  团队副研究员何晓东介绍,量子力学的威力不仅限于此,当它与计算这种操作相结合之后,将产生一种新的计算方式:量子计算。量子计算的应用很广,在量子模拟、人工智能、制药、量子加密等领域都有用武之地,前途不可限量。

  目前对量子计算的研究还在“小学阶段”,还不能与现在的经典计算机相比。单离子、核磁共振、光子、中性原子、固体量子点,以及最近很受工业界重视的超导电路,这些都是各国科学家们正在努力实现量子比特的方向。而詹明生团队选择了中性原子作为实现量子比特的主攻方向。

  副研究员许鹏对科技日报记者说,中性原子虽然是科学家比较早提出来作为实现量子比特的候选体系,但它是一个很难操控的粒子,一直无法突破达到一个比特99.99%操控精度的通用目标。

  这是一个比较大的门槛。我们可以设想,通过量子计算处理一个问题时,需要对量子比特进行多次的操控,假如每一次操控精度都不够高,只有90%,那仅仅经过7次操控,得到正确结果的概率就只有48%,这也意味着我们无法区分得到的结果是否正确。操控精度越高,得到的计算结果越准确,可以操控的次数越多,才能处理更复杂的问题。当我们的操控精度达到99.99%时,操控的次数就可以达到7000次,更关键的是我们可以实现量子纠错,进一步提高量子计算的容错能力。

  许鹏告诉记者,他们在完成了单比特99.99%操控精度后,就会转向两个比特99%操控精度的方向。

  在做多量子比特上潜力非常大

  上世纪80年代,诺贝尔奖获得者理查德·费曼等人提出构想,基于两个奇特的量子特性——量子叠加和量子纠缠构建“量子计算”。

  传统计算机通过控制晶体管的高低电平,决

  定一个比特是“1”还是“0”,组成数据序列串行处理。而叠加性让一个量子比特可以同时具备“1”和“0”两种状态,纠缠性可以让多个比特共享状态,创造出“超级叠加”的量子并行计算,计算能力随比特数增加呈指数级增长。

  理论上讲,量子计算机可以将传统计算机数万年才能处理的复杂问题,几秒钟就解决。拥有300个量子比特,就能支持比宇宙中所有粒子数量更多的并行计算。

  量子计算关乎未来的竞争,已成为各国竞相争逐的前沿科学。超导、半导体作为量子计算的候选体系已经取得了一个又一个“战果”,为什么还要用中性原子来做?许鹏解释道,中性原子与离子非常接近,它也是自然界存在的粒子体系,通常一个原子的直径在0.05纳米和0.5纳米之间,比头发丝直径还小几千倍到几万倍。原子有一个非常大的优势,在很小的范围内可做出很多个量子比特。

  每多一个量子比特就代表着计算能力的大幅提升。许鹏说:“这就像我们传统的计算机里面的处理器,一开始大概集成了几百个晶体管,后来到几万个、几十万个、几千万个,到现在上亿个。每一个晶体管就相当于一个量子比特,量子比特越多,将来的计算潜力越大。”

  当然,要真正转化为实际的计算能力,还需要有高保真、低误差的普适量子门。许鹏表示,现在一方面他们在向操控得足够好的方向努力;另一方面,中性原子量子计算候选体系在做多量子比特上具有非常大的潜力,这一点也是他们这个体系最大的优势。一旦把一个比特操控得很好之后,再做出很多个比特,就会向量子计算迈出坚实的一步。

  让能级扰动降低了一百倍

  詹明生团队十年来一直在做一件事情——利用囚禁在光阱中的中性原子搭建量子计算机。2017年,团队曾在国际上首次实现了一种量子计算所需的关键逻辑门——两个异核原子的受控非门,并利用该量子门演示了最简单的两个量子比特计算,即将异核原子纠缠起来。

  何晓东说:“这次的研究与‘两个异核原子的量子纠缠’不同,我们要解决的是量子计算所需的另一种普适量子门,即单比特量子逻辑门的操控精度问题。”

  在此前的实验研究中,国际上众多研究组将激光成功地调制为光阱阵列用于装载中性原子并以此为基础搭建量子寄存器。但之前囚禁原子的激光都会对原子量子比特能级产生较大的扰动,导致单量子比特逻辑门的操控精度存在较大误差。

  何晓东说,通俗一点讲,要达到极高的精度,一方面操控手段要足够精确,好比你需要一把高精度的狙击枪,另一方面原子状态也必须足够稳定,也就是靶子不要乱晃;这样当你对准后,才能枪枪命中靶心。囚禁光场对原子能级的扰动问题也成为基于中性原子搭建实用型量子计算机的障碍之一。

  分析表明,解决该问题的途径在于有效压制囚禁光场对原子的扰动。为此,该研究团队研发了魔幻光强技术,将囚禁原子激光引起的扰动降低了一百倍,使得量子比特的相干性保存时间达到秒量级。紧接着,他们利用该技术构造了新型的量子寄存器,能够提供高品质的量子比特,最终解决了单比特门的操控精度问题,该精度能与囚禁离子相媲美。但与离子相比,中性原子因为不带电,可以更方便地构成光阱原子阵列,实现多比特扩展。

  詹明生介绍,该研究成果是该团队发展的魔幻光强囚禁原子与量子态精密操控技术在高保真全局单比特量子逻辑门的成功应用,将推动中性原子量子计算的发展,为下一步构造可扩展的中性原子量子信息处理技术奠定了基础。(记者 刘志伟 通讯员 罗 芳)

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