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(duì)在中性原子量子計(jì)算領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性提出并在實(shí)驗(yàn)上演示了一種基于光纖陣列的原子量子計(jì)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(jì)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?yàn)榭蓴U(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(jì)算的平臺之一?？墒?，要想真正“編程”這些原子，首先要精準(zhǔn)點(diǎn)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(jì)算機(jī)的速度與穩(wěn)定性。

現(xiàn)狀與難點(diǎn)

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(shí)現(xiàn)操作。優(yōu)點(diǎn)是連接靈活、并行度高；缺點(diǎn)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(diǎn)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(duì)提出并實(shí)驗(yàn)證明了一種基于光纖陣列的原子量子計(jì)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(diǎn)；

·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(duì)等待（幾乎零閑置），而且長期運(yùn)行更穩(wěn)定。

關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)進(jìn)展

在原型系統(tǒng)中，團(tuán)隊(duì)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(shí)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(jì)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(xiàng)出色的工作，為構(gòu)建中性原子量子計(jì)算機(jī)提供了新途徑。我認(rèn)為該研究對量子計(jì)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。