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米哈伊尔·卢金(左)率先提议了中性原子量子计议的念念法,最近与马库斯·格雷纳(Markus Greiner)一齐赢得了巨猛进展。
昨年年底,科技巨头IBM文告了量子计议边界的一个里程碑:有史以来第一款名为Condor的芯片,具有高出1000个量子比特或量子比特。鉴于这距离该公司推出第一款领有100多个量子比特的芯片Eagle仅两年,看起来这个边界似乎正在上前发展。要使量子计议机粗略责罚现时最遒劲的经典超等计议机所无法责罚的有效问题,就需要进一步扩大边界——可能达到数万或数十万个量子比特。但这确信只是一个工程问题,对吧?
不一定。扩大边界的挑战是如斯之大,以至于一些谋划东说念主员觉得这将需要与IBM和谷歌等公司使用的微电子完全不同的硬件。Condor和谷歌Sycamore芯片中的量子比特是由超导材料环制成的。到现时为止,这些超导量子比特一直是全面量子计议竞赛中的野兔。但现在有一只从背面飞来:由单个原子组成的量子比特。
最近的进展仍是将这些“中性原子量子比特”从局外东说念主振荡为最初的竞争者。
“曩昔两三年的擢升比以往任何期间皆快,”威斯康星大学麦迪逊分校的物理学家马克·萨夫曼(Mark Saffman)说,他统计了至少有五家公司竞相将中性原子量子计议营业化。
与普通计议机中的比特一样,量子比特对二进制信息进行编码——1 和 0。可是,天然比特老是处于一种或另一种情状,但量子比特中的信息不错保捏不细目,处于所谓的“访佛”情状,这种访佛赋予了两种可能性的权重。为了进行计议,量子比特使用称为量子纠缠的局势进行贯穿,这使得它们的可能情状相互依存。特定的量子算法可能需要在不同的量子比特集之间进行一系列纠缠,何况在进行测量时在计议扫尾时读出谜底,将每个访佛折叠到细方针 1 或 0。
哈佛大学物理学家米哈伊尔·卢金(Mikhail Lukin)过火共事以及新墨西哥大学的伊万·多伊奇(Ivan Deutsch)计划的一个小组在2000年代初提议了使用中性原子的量子态以这种方式编码信息的念念法。卢金说,很长一段时候以来,更普通的谋划界一致觉得,中性原子量子计议原则上是一个好观念,但在实践中“它只是行欠亨”。
“但20年后,其他模范并莫得完成来往,”萨夫曼说。“使中性原子责任所需的手段和时刻仍是逐渐发展到看起来十分有长进的地步。
在Lukin的实验室中,一个全心设想的激光系统被用来出动并改革狡饰在场景中的真空室内的原子的情状。
Lukin在哈佛的实验室与哈佛大学的Markus Greiner小组和麻省理工学院的Vladan Vuletic小组配合,一直处于最初地位。昨年12月,这些谋划东说念主员敷通知,他们创造了具稀有百个中性原子量子比特的可编程量子电路,并用它们进行了量子计议和纠错。本月,加州理工学院的一个团队敷通知,他们制造了6,100个原子量子比特的阵列。这么的收场越来越多地赢得了这种模范的皈向者。
“十年前,要是我对量子计议的畴昔进行对冲,我就不会包括这些(中性原子)模范,”牛津大学量子信息表面家安德鲁·斯蒂恩(Andrew Steane)说。“那会是一个舛讹。”
量子比特之战
在量子比特类型之间的竞争中,一个关节问题是每种量子比特在被一些偶然(举例热)波动改革之前不错保捏其访佛多永劫候。关于像IBM和谷歌这么的超导量子比特来说,这个“干系时候”频繁最多只消一毫秒傍边。量子计议的统统门径皆必须在该时候范围内进行。
在单个原子的情状下对信息进行编码的一个优点是它们的干系时候频繁要长得多。此外,与超导电路不同,给定类型的原子皆是相通的,因此不需要定制的抑止系统来输入和驾驭奥秘不同的量子态。
天然用于将超导量子比特勾通到量子电路的布线可能会变得十分复杂——跟着系统边界的扩大,情况会愈加复杂——但在原子的情况下不需要布线。统统的缠绕皆是用激光完成的。
这种公道最初提议了一个挑战。英国杜伦大学(Durham University)从事中性原子量子计议谋划的物理学家斯图尔特·亚当斯(Stuart Adams)说,有一种老到的时刻不错雕饰出复杂的微电子电路和电线,IBM和谷歌最初投资超导量子比特的一个可能原因不是因为这些显著是最好的,而是因为它们需要这些公司风尚的那种电路。“基于激光的原子光学器件对他们来说完全生分。统统的工程皆是完全不同的。
Merrill Sherman/Quanta 杂志; 来源:斯坦福大学区块实验室,arxiv:2312.03982
由带电原子(称为离子)组成的量子比特也不错用光来抑止,弥远以来,离子被觉得是比中性原子更好的量子比特候选者。由于离子带电荷,离子相对容易被电场拿获。谋划东说念主员通过在超低温度下将离子悬浮在微小的真空腔中(以幸免热抖动)来创建离子阱,而激光束则在不同的能量情状之间切换它们以驾驭信息。具稀有十个量子比特的离子阱量子计议机现在仍是得到评释,几家初创公司正在开发营业化时刻。“到现时为止,在保真度、抑止和连贯性方面性能最高的系统已被拿获离子,”Saffman说。
拿获中性原子更难,因为莫得电荷不错收拢。改步改玉的是,原子被固定在由激光束(称为光镊)产生的强光场中。原子频繁可爱坐在光场最强的所在。
离子有一个问题:它们皆具有相通象征的电荷。这意味着量子比特相互抹杀。离子越多,将它们中的好多塞进统一个忐忑的空间就越困难。关于中性原子,就莫得这种张力。谋划东说念主员说,这使得中性原子量子比特更具可彭胀性。
更进击的是,被拿获的离子被排成一排(或者,最近,一个轮回的“赛说念”)。这种树立使得很难将一个离子量子比特与另一个离子量子比特纠缠在一齐,比如说,沿行 20 个位置。“离子阱实质上是一维的,”亚当斯说。“你必须把它们排成一转,很出丑出你是若何以这种方式达到一千个量子比特的。
中性原子阵列不错是一个二维网格,这更容易扩大边界。“你不错把好多东西放在统一个系统中,当你不但愿它们互动时,它们不会互动,”萨夫曼说。他的团队和其他东说念主以这种方式拿获了1000多个中性原子。“咱们信托咱们不错在一个厘米级的斥地中包装数万甚而数十万个,”他说。
事实上,在他们最近的责任中,加州理工学院的团队创造了一个由约莫6,100个中性铯原子组成的光镊阵列,尽管他们还莫得效它们进行任何量子计议。这些量子比特的干系时候也高达12.6秒,这是迄今为止这种量子比特类型的记载。
里德堡阻滞
要使两个或多个量子比特纠缠在一齐,它们需要相互交互。中性原子通过所谓的范德华力“嗅觉到”相互的存在,范德华力源于一个原子对周边另一个原子的电子云波动的反馈方式。但只消当原子十分接近时,才能嗅觉到这些细小的力量。使用光场将正常原子驾驭到所需的精度是无法作念到的。
正如Lukin和他的共事在2000年的原始提案中指出的那样,要是咱们加多原子本人的大小,相互作用距离不错大大加多。电子的能量越多,它就越倾向于从原子核中漂浮。要是使用激光将电子泵送到迢遥于原子中频繁发现的能量情状的能量情状——瑞典物理学家约翰内斯·里德伯格(Johannes Rydberg)在1880年代谋划了原子以破裂波长发光的方式,称为里德堡态——电子不错比平时离原子核远数千倍。
这种尺寸的加多使两个相距几微米的原子粗略相互作用——这在光学罗网中是完全可行的。
为了竣事量子算法,谋划东说念主员开端在一双原子能级中编码量子信息,使用激光在原子能级之间切换电子。然后,它们通过通达原子之间的里德堡相互作用来纠缠原子的情状。一个给定的原子可能会被引发到里德堡态,也可能不被引发到里德堡态,这取决于它的电子处于两个能级中的哪一个——只消一个能级处于正确的能量下,不错与引发激光的频率产生共振。要是原子现时正在与另一个原子相互作用,则该引发频率会略有变化,因此电子不会与光共振,也无法逾越。这意味着一双相互作用的原子中只消一个或另一个不错在职何时候防守里德堡态;它们的量子态是干系的,或者换句话说,是纠缠的。这种所谓的里德堡阻滞,由Lukin过火共事在2001岁首度提议,手脚纠缠里德堡原子量子比特的一种方式,是一种全有或全无的效应:要么有里德堡阻滞,要么莫得。“里德堡阻滞使原子之间的相互作用数字化,”卢金说。在计议扫尾时,激光读取原子的情状:要是原子处于与照明共振的情状,则光会散射,但要是它处于另一种情状,则不会散射。2004年,康涅狄格大学的一个谋划小组展示了铷原子之间的里德堡阻断,铷原子被拿获并冷却到统统零度以上100微开尔文。他们通过使用激光“吸出”原子的热能来冷却原子。这种模范意味着,与超导量子比特不同,中性原子不需要低温冷却,也不需要贫穷的制冷剂。因此,这些系统不错作念得十分紧凑。“统统这个词斥地处于室温下,”Saffman说。“在距离这些超冷原子一厘米的所在,你有一个室温窗口。2010年,Saffman和他的共事们敷陈了第一个逻辑门——计议机的一个基本元件,其中一个或多个二进制输入信号产生一个特定的二进制输出——由两个原子使用里德堡阻滞。然后,至关进击的是,在2016年,Lukin的团队以及法国和韩国的谋划小组皆独随即念念出了若何将许多中性原子加载到光学罗网阵列中并肤浅出动它们。“这项翻新为该边界带来了新的人命,”德国加兴马克斯普朗克量子光学谋划所的斯蒂芬·杜尔说,他使用里德堡原子进行基于光的量子信息处理实验。到现时为止,大部单干作皆使用铷和铯原子,但普林斯顿大学的物理学家杰夫·汤普森(Jeff Thompson)更可爱在金属原子(如锶和镱)的核自旋态中编码信息,这些原子具有更长的干系时候。昨年10月,Thompson过火共事报说念了由这些系统制成的双量子比特逻辑门。里德堡阻滞不一定是在孤原子之间。昨年夏天,亚当斯和他的共事们评释,他们不错在原子和被困分子之间竖立里德堡阻断,他们通过使用光镊将铯原子拉到铷原子阁下,东说念主工制造了这种阻断。夹杂原子-分子系统的优点是原子和分子具有十分不同的能量,这不错更容易地驾驭一个而不影响其他。更进击的是,分子量子比特不错有很长的干系时候。亚当斯强调,这种夹杂系统至少比全原子系统晚了10年,何况尚未竣事两个这么的量子比特的纠缠。“夹杂能源系统确实很难,”汤普森说,“但咱们可能会在某个时候被动这么作念。高保真量子比特莫得一个量子比特是完好的:统统目子比特皆可能产生舛讹。要是这些莫得被发现和转换,它们就会侵扰计议收场。可是,统统目子计议的一大贫苦是,无法像经典计议机那样识别和转换舛讹,在经典计议机中,算法只是通过复制来追踪比特所处的情状。量子计议的关节在于,在读出最终收场之前,量子比特的情状是不细方针。要是尝试在该点之前测量这些情状,则远离计议。那么,若何保护量子比特免受咱们甚而无法监控的舛讹的影响呢?一个谜底是将信息漫衍在许多物理量子比特上——组成一个单一的“逻辑量子比特”——这么其中一个量子比特中的舛讹就不会碎裂它们共同编码的信息。只消当每个逻辑量子比特所需的物理量子比特数目不是太大时,这才变得切实可行。这种支出在一定进度上取决于所使用的纠错算法。左起:Simon Evered、Sophie Li、Alexandra Geim、Mikhail Lukin、Dolev Bluvstein 和 Markus Greiner 注目着 Lukin 实验室的实验安设。
纠错逻辑量子比特仍是用超导和俘获离子量子比特得到了评释,但直到最近,东说念主们还不明晰它们是否不错由中性原子制成。这种情况在昨年12月发生了变化,其时哈佛大学计划的团队公布了数百个被拿获的铷原子阵列,并在48个逻辑量子比特上脱手算法,每个量子比特由七到八个物理原子组成。谋划东说念主员使用该系统实行了一个肤浅的逻辑操作,称为受控NOT门,其中量子比特的1和0情状笔据第二个“抑止”量子比特的情状翻转或保捏不变。为了进行计议,谋划东说念主员在拿获室的三个不同区域之间出动原子:原子阵列,使用里德堡阻滞拖动和纠缠特定原子的相互作用区域(或“门区”)以及读出区。亚当斯说,这一切皆成为可能,因为“里德堡系统为你提供了统统这些才能,不错对量子比特进行洗牌,并决定谁在与谁互动,这给了你超导量子比特所莫得的天真性。
哈佛大学计划的团队展示了一些肤浅的逻辑量子比特算法的纠错时刻,尽管关于最大的算法,有48个逻辑量子比特,他们只竣事了舛讹检测。笔据Thompson的说法,后者的实验标明,“他们不错优先断绝有纰谬的测量收场,从而识别出纰谬较低的收场子集。这种模范被称为后礼聘,天然它不错在量子纠错中推崇作用,但它本人并不可责罚问题。
里德堡原子可能有助于产生新的纠错代码。萨夫曼说,哈佛大学责任中使用的一种称为名义代码,“十分受接待,但成果也很低”;它不息需要许多物理量子比特才能造成一个逻辑量子比特。其他更高效的纠错码需要量子比特之间的更远距离交互,而不单是是最隔壁配对。中性原子量子计议的实践者觉得,而已里德堡相互作用应该粗略胜任这项任务。“我十分乐不雅地觉得,畴昔两到三年的实验将向咱们标明,支出无谓像东说念主们念念象的那么晦气,”卢金说。
尽管还有好多责任要作念,但斯蒂恩觉得哈佛大学的责任“在实验室中竣事纠错契约的进度发生了关键变化”。
分拆
像这么的擢升使里德堡原子量子比特与竞争敌手平分秋色。“高保真门,广泛量子比特,高精度测量和天真勾通的相聚使咱们觉得里德堡原子阵列是超导和俘获离子量子比特的真确竞争敌手,”Steane说。
与超导量子比特比较,该时刻的投资本钱只是其中的一小部分。哈佛大学和麻省理工学院的配合有一家名为QuEra的养殖公司,该公司仍是与亚马逊的Braket量子计议平台配合,在云上提供了一个名为Aquila的256量子比特里德堡量子处理器,这是一种模拟“量子模拟器”,不错脱手许巨额子粒子系统的模拟。QuEra还极力于鼓舞量子纠错。
Saffman加入了一家名为Infleqtion的公司,该公司正在开发用于量子传感器和通讯以及量子计议的中性原子光学平台。“要是一家大型IT公司很快与这些养殖公司之一竖立某种配搭伙伴关系,我不会感到诧异,”亚当斯说。
“用中性原子量子比特进行可彭胀的纠错统统是可能的,”汤普森说。“我觉得在几年内,10,000个中性原子量子比特显著是可能的。除此以外,他觉得激光功率和辞别率的履行戒指将需要模块化设想,其中几个不同的原子阵列勾通在一齐。
要是发生这种情况,谁知说念会发生什么?“咱们甚而还不知说念咱们不错用量子计议作念什么,”卢金说。“我确实但愿这些新的进展能匡助咱们陈诉这些问题。