日本自然科學研究機構分子科學研究所的大森賢治教授等人組成的研究團隊,利用光鑷以微米隔膜擷取了兩個幾乎冷卻至絕對零度的氣態銣原子,並用發光時間只有10皮秒(皮秒=一萬億分之一秒)的特殊雷射對其進行了操作,成功執行了僅以6.5奈秒(奈秒=十億分之一秒)的全球最快速度運行的「雙量子位元門」。 「雙量子位元門」是量子計算不可或缺的基本運算要素。此舉有望打破目前先行開發的超導型和離子阱型量子電腦的極限,所以作爲全新冷原子型量子電腦硬體而備受期待。相關成果已於8月9日發佈在英國科學期刊《Nature Photonics》的網路版上。
圖1:全球最快的雙量子位元門概念圖。
利用發光時間只有10皮秒的特殊雷射(藍色光)操作光鑷(紅色光)以微米隔膜擷取的兩個原子。(供圖:日本自然科學研究機構分子科學研究所大森團隊 富田隆文特任助教)
操作速度僅6.5奈秒,分子科學研究所實驗成功
此次成功實施的是名爲「受控Z門」的代表性雙量子位元門,是所有量子門的母體,這是根據一個量子位元的狀態「0或1」,將另一個量子位元的疊加態由「0+1」變爲「0-1」的操作。
量子門的精度(保真度)受外部環境和操作雷射等產生的噪音影響很容易降低,因此加大了開發量子電腦的難度。不過,噪音的時間尺度通常慢於1微秒(100萬分之1秒),因此如果能實施足夠快於這個速度的量子門,就可以「完全」避免噪音造成的計算精度下降,向實用量子電腦的實施邁進一大步。
在過去的20年裏,所有量子電腦硬體都在追求更快的量子門。此前的高速量子門世界記錄是2020年Google AI(美國谷歌公司人工智慧部門)利用超導型量子門實施的15奈秒。
而此次的冷原子型硬體的雙量子門實施了遠遠超過這個速度的6.5奈秒,比噪音快2位數以上,其影響可以忽略不計,因此距離實施實用量子電腦又近了一大步。
圖2:使用銣原子的量子位元概念圖。(供圖:日本自然科學研究機構分子科學研究所大森團隊 富田隆文特任助教)
此次的實驗利用雷射特殊冷卻法將兩個氣態銣原子冷卻至無限接近絕對零度的約10萬分之1克耳文。利用將雷射束聚焦成微米級細度,並在其焦點部分擷取微小顆粒的特殊技術「光鑷」,以微米隔膜排列了這兩個原子。
接下來,研究團隊向這兩個原子照射只發光1000億分之一秒的超短脈衝雷射,觀察了其變化。實驗發現,兩個相鄰原子(原子1和原子2)各自的5S軌道中的兩個電子會吸收超短脈衝雷射,變成巨大的43D軌域(裏德堡軌道),並觀察到了電子能量在兩個原子之間週期性行程的現象。
這種原子之間的能量互換能改變兩個原子的量子態的「符號」,可以應用於量子門操作。因此,研究團隊利用這種現象,使用以原子中的電子態——5P電子態爲「0」態,43D電子態爲「1」態的量子位元,進行了量子門操作。
將原子1和原子2分別作爲量子位元1和量子位元2,利用超短脈衝激光誘導能量交換時觀察到,在一個能量行程週期(6.6奈秒)内,只有當量子位元1處於「1」的狀態時,量子位元2的疊加態符號才會反轉,由兩個波峰重疊對齊的「0+1」狀態變成兩個波峰和波谷重疊對齊的「0-1」狀態。也就是說,由此應答了雙量子位元門(受控Z門)的6.5奈秒動作。
圖3:量子門操作及其執行結果。
只有當原子1(量子位元1)處於「1」的狀態時,量子位元的符號才會由兩個波峰重疊對齊的狀態「0」+「1」狀態向兩個波峰與波谷重疊對齊的狀態「0」-「1」狀態反轉。(供圖:日本自然科學研究機構分子科學研究所大森團隊 富田隆文特任助教)
大森教授就此次成果舉行記者發佈會時介紹說:「我們的研究目前已經可以實施400量子位元。我們希望在今後一兩年内擴大到1000量子位元左右。另外,量子門操作速度未來還可以加速至1奈秒」。
原文:《科學新聞》
翻譯編輯:JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊:Nature Photonics
論文:Ultrafast energy exchange between two single Rydberg atoms on the nanosecond timescale
DOI:10.1038/s41566-022-01047-2