近日，中國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院詹明生、許鵬團(tuán)隊在中性原子量子計算領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊創(chuàng)新性提出并在實驗上演示了一種基于光纖陣列的原子量子計算新架構(gòu)，成功解決了中性原子體系中尋址操控同時兼具高并行、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)表在國際學(xué)術(shù)期刊《Nature Communications》上。

導(dǎo)語

量子計算被認(rèn)為是下一代信息革命的關(guān)鍵技術(shù)。中性單原子陣列因為可擴(kuò)展、高保真門操作、相干時間長、連接可重構(gòu)，被普遍視為最有希望邁向大規(guī)模、容錯量子計算的平臺之一。可是，要想真正“編程”這些原子，首先要精準(zhǔn)點名每一個量子比特——這叫尋址。尋址做得好不好，直接影響整臺量子計算機(jī)的速度與穩(wěn)定性。

現(xiàn)狀與難點

現(xiàn)有的主流做法大致有兩類：

·“原子找激光”：把原子在不同功能區(qū)之間“穿梭”來實現(xiàn)操作。優(yōu)點是連接靈活、并行度高；缺點是移動會帶來空檔時間與加熱，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)動強(qiáng)聚焦光束，輪流照射不同原子。優(yōu)點是速度快；但要同時操作許多原子就吃力，而且長期精準(zhǔn)對準(zhǔn)不容易。

簡單說，一個偏向“并行與靈活”，一個偏向“切換速度”，很難兩全。

我們的新辦法：每個比特都有“獨(dú)立光通道”

研究團(tuán)隊提出并實驗證明了一種基于光纖陣列的原子量子計算新架構(gòu)：

·一比特一通道：給每個量子比特配一條獨(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；

·天然對準(zhǔn)、互不打擾：等于給每個原子配備上了自己的“專屬通道”，對準(zhǔn)關(guān)系天然成立，彼此之間不搶道。

這意味著：可以同時對很多比特下達(dá)不同指令（高并行），無需排隊等待（幾乎零閑置），而且長期運(yùn)行更穩(wěn)定。

關(guān)鍵實驗進(jìn)展

在原型系統(tǒng)中，團(tuán)隊在光纖陣列形成的光阱里穩(wěn)定囚禁了 10 個單原子，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”并行操控；同時清晰觀測到兩原子的里德堡阻塞效應(yīng)——這是實現(xiàn)高保真兩比特門的關(guān)鍵物理基礎(chǔ)。更重要的是，這個架構(gòu)可以通過復(fù)制通道來擴(kuò)大規(guī)模，并且兼容集成光子芯片，為邁向大規(guī)模中性原子量子計算鋪平道路。

同行評價（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. ”

“這是一項出色的工作，為構(gòu)建中性原子量子計算機(jī)提供了新途徑。我認(rèn)為該研究對量子計算領(lǐng)域具有重要而直接的貢獻(xiàn)，同時也將對量子模擬、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、國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院、湖北省等支持。