日本国立自然科学研究所的研究人员使用一种全新的操作方法成功地执行了世界上最快的双量子比特门，其运行时间仅为 6.5 纳秒（纳秒 = 十亿分之一秒）。
这种超快量子计算机使用超快激光来操纵与光镊对齐的冷却原子的人工晶体，有望突破目前正在开发的超导和离子阱类型的限制，成为一种全新的量子计算机硬件。
其研究成果于2022 年 8 月 8 日发表于《Nature Photonics》[1]。
01. 打破 Google超导量子比特门世界纪录
在过去的二十年里，所有的量子计算机硬件都在追求更快的门，以逃避可能降低计算精度的外部噪声的影响。
量子门是构成量子计算的基本算术元素，它们对应于传统经典计算机中的 AND 和 OR 等逻辑门。
有操纵单个量子比特状态的单量子比特门和在两个量子比特之间产生量子纠缠的双量子比特门。
双量子比特门是量子计算机高速性能的源泉，在技术上具有挑战性。这次成功实现的是最重要的双量子位门之一，称为“受控 Z 门（C-Z 门）”，该门是一种将量子态从 |0> + |1> 翻转到 |0> - |1> 的操作，当然，这取决于控制位上的比特（0 或 1，1的时候受控位才会反转）。
量子门的精度（保真度）很容易受到来自外部环境和工作激光器的噪声的影响，这使得量子计算机的发展变得困难。
由于噪声的时间尺度一般慢于一微秒（微=百万分之一秒），如果能够实现比这足够快的量子门，就可以避免因噪声而导致计算精度下降，从而距离实现一台实用的量子计算机更近一步。
因此，在过去的 20 年里，所有的量子计算机硬件都在追求更快的门。
此次研究使用冷原子硬件实现的 6.5 纳秒（纳秒 = 十亿分之一秒）的超快双量子比特门，打破了之前由 Google AI 在 2020 年通过超导电路实现的15 纳秒的世界纪录，其速度比噪声快两个数量级以上，因此可以忽略噪声的影响。
02. 实验方法
该研究小组使用光镊来捕获两个冷却到几乎绝对零度且仅相隔一微米的铷原子来进行实验。
首先，使用激光束将气相中的两个铷原子用光镊以微米间隔排列，然后，他们用仅发射 1/100 亿分之一秒的超短激光脉冲照射它们，并观察发生了什么样的变化。分别被困在两个相邻原子（原子 1 和原子 2）的最小轨道（5S）中的两个电子被撞入巨大的电子轨道（里德堡轨道，此处为 43D）。
然后，这些巨大原子之间的相互作用导致轨道形状和电子能量的周期性来回交换，周期为 6.5 纳秒。
在一次振荡之后，量子物理定律决定了波函数的符号被翻转，从而实现了双量子比特门（受控 Z 门）。
利用这种现象，研究人员使用量子比特进行了量子门操作，其中 5P 电子状态为“0”状态，43D 电子状态为“1”状态（图2）。原子 1 和 2 分别制备为量子比特 1 和 2，并使用超短激光脉冲诱导能量交换。
在一个能量交换周期（= 6.5 纳秒；纳秒 = 十亿分之一秒）中，只有当量子比特1 处于“1”状态时，量子比特 2 的叠加状态的符号才会反转（图 1）。
03. 未来发展
在过去的 20 年里，所有的量子计算机硬件都在寻求更快的门来逃避外部噪声的影响，这会降低计算的准确性。
该研究使用冷原子硬件实现的 6.5 纳秒（纳秒 = 十亿分之一秒）的超快量子门比噪声快两个数量级以上，因此可以忽略噪声的影响。
冷原子量子计算机具有革命性的潜力，与目前正在开发的超导和离子阱量子计算机相比，它可以很容易地扩大到更大的规模，同时保持高相干性，这种超快量子计算机使用超快激光来操纵与光镊对齐的冷却原子的人工晶体，有望成为一种全新的量子计算机硬件。
引用：
[1]http://dx.doi.org/10.1038/s41566-022-01047-2
[2]https://www.eurekalert.org/news-releases/960886
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