近日，科學家在中性原子量子計算領域取得重大突破，首次實現具有 512 個量子位的雙元素原子混合陣列。

據了解，量子位作為量子計算機的基本構件，能夠通過不同技術制成。其中一種技術是利用激光捕獲中性原子以制造量子位，并在 2018 年獲諾貝爾獎。相互作用可控、相干時間較長的中性單原子體系，具有在 1 平方毫米面積提供成千上萬個量子位的規模化集成優勢，是進行量子模擬和量子計算的有力候選者。

此前，用于量子計算的中性原子體系只局限于單個原子元素陣列。但由于陣列中的每個原子都具有相同特性，因此要在不干擾相鄰原子的情況下，測量單個原子是極其困難的。

本次，芝加哥大學普利茲克分子工程學院助理教授 Hannes Bernien 所帶領的團隊創造了一個由銣原子和銫原子構成的雙元素中性原子陣列，可以單獨控制每個原子，實現了首個由 512 個量子位組成的中性原子體系。此項研究顯著拓寬了中性原子體系在量子技術方面的潛在應用，相關成果近日發表在《物理評論X》(Physical Review X)。

圖片來自《物理評論X》(Physical Review X)

目前，谷歌和 IBM 公司的量子計算機由超導電路構成，只達到約 130 個量子位。盡管芝加哥大學團隊的設備還不算是量子計算機，但由原子陣列制成的量子計算機將更容易擴大規模，帶來一些新的突破。

在由兩種不同元素的原子組成的混合陣列中，相鄰兩個原子可以是不同元素，具有完全不同的頻率。這使得研究人員更容易測量和操作單個原子，而不受周圍原子的干擾。芝加哥大學團隊使用 512 個光鑷捕獲銣原子、銫原子各 256 個，并觀察到兩個元素之間的干擾能夠忽略不計。

實驗裝置，圖片來自論文

這項研究成果將有助于多方面的研究，包括量子非破壞性測量、量子糾錯，以及持續運行的量子處理器和傳感器。

“當你用單一原子做這些實驗時，在某個時刻，你會丟失原子，然后你得經常初始化系統，先制造一個新的冷原子云，并等待單個原子再次被激光捕獲。”Bernien 說，“而我們這種混合的設計，可以分別對這些元素進行實驗。我們可以用一種元素原子做實驗，同時刷新另一種元素原子，再切換過來，這樣我們一直有可利用的量子位。”

這種原子陣列的混合特性也為許多應用打開了大門，這些應用無法通過單一元素原子實現。例如，該研究中的兩種元素獨立可控，所以一種元素原子可用作量子存儲器，而另一種元素原子可用于量子計算，分別扮演計算機的 RAM（隨機存取存儲器）和 CPU（中央處理器）的角色。Bernien 表示，“我們的工作已經啟發理論學家為此思考新的量子協議，這正是我所期望的。”