量子计算或将迎来重大突破，麻省理工学院物理学家制造全新量子寄存器

近几年，量子计算逐渐进入了大众视野，频繁地出现在新闻头条。量子计算是一种基于量子力学原理的新型计算模式，不同于现代经典计算机只能处理0和1，量子计算可以处理0和1的叠加态。按照这种模式设计的计算机称为量子计算机，理论上其计算速度能远远超过传统计算设备。

最近，麻省理工学院的物理学家通过实验制造了一种全新的量子寄存器装置，并实现了对寄存器中单个量子比特的精准操控。该研究团队利用激光干涉形成二维网状势阱，捕获了大约400对中性钾-40冷原子，制造了一种光学晶格结构，并成功地在每个原子对中观测到了两种不同量子振动行为的叠加态，发现了全新的量子比特。

随后，该团队还利用外部磁场与钾-40原子对的共振效应实现了对单个量子比特振动模式的调控。该论文一作托马斯·哈特克、通讯作者马丁·茨维尔莱因及其他合著者是MIT物理系、电子研究实验室下的MIT-Harvard超冷原子中心成员，该成果于2022年1月26日发表在《自然》上。

量子寄存器的示意圖。寄存器中存储的钾-40量子比特类似于一对一对的钟摆，每对钟摆都有自己的振动模式，有的同步振动，有的相向振动，也有的是两种振动模式的混合

一言以蔽之，量子比特（Qubit，又译作“量子位”）是一个两能级系统（即具有两种可能的能量取值），它是量子计算的基本单位。在现代经典计算机中，所有的信息都是二进制的，一个经典比特可以存储0与1这两个状态之一。

而在量子计算机中，一个量子比特可以存储0和1以任意概率比例混合的叠加状态（通常用长度为2的向量表示）。对量子比特的单次测量结果既可能得到0态，也可能得到1态，测量结果按照混合概率随机出现。

量子理论证明，一个量子比特能够同时与众多其他量子比特通过量子逻辑门完成通信和相互作用，执行一系列逻辑运算，实现多个信息流的并行处理，从而快速解决传统计算机需要很长时间才能处理的问题。

经典比特（左）与量子比特（右）示意图：左图代表一个经典比特只能处于0或1态之一，右图代表一个量子比特可以是0态和1态的叠加（洋红色），关于为什么只有上半球以及0与1的叠加态不与0、1共面，可以理解为概率值是非负实数及复数作为叠加系数的效果

2019年，美国Google公司研发了超导量子比特原型机“悬铃木”，利用53个超导量子比特在200秒内实现了对一个随机量子电路输出信号的采样。同样的问题如果用现有最强超级计算机解决，则需要花费2天半的时间。

2020年以来，中国科学技术大学潘建伟团队成功研制了76个以上比特的量子计算原型机“九章”系列，采用纠缠态的光子作为量子比特，比Google的“悬铃木”还要快百亿倍。

2021年，中国科学技术大学团队还研制了可编程超导量子计算原型机“祖冲之”号，这也是量子计算领域的重大突破。

目前，学术界比较流行的量子比特主要有4种：超导量子比特（利用超导电路和电磁波实现电流信号的量子振荡），半导体量子比特（向半导体纳米器件中注入电子，利用电磁波控制其量子态），离子阱量子比特（将带电离子通过电磁场限定在有限空间内，利用其基态和激发态作为量子比特），光量子比特（通过单光子源和复杂光路制备纠缠态的光子）等。

其中，以超导量子比特的研究成果最为丰富，但其对材料和器件制造工艺要求非常高。而且，它只能在略高于绝对零度的温度下工作，不利于设备的扩展和集成化。此外，量子比特通常比较“脆弱”，极其微弱的环境影响都能让0与1混合的量子叠加态“退相干”到简单态0或1之一。

因此，能否长时间维持量子叠加态，是量子比特性能的一个重要指标。大部分现有量子比特技术的相干时间能达到微秒或毫秒的量级。

麻省理工学院团队发现的量子比特与前面提到的4种都不同，他们首次成功地利用激光捕获了数百个碱金属同位素钾-40的中性冷原子。与超导量子器件不同，该量子寄存器虽然利用了冷原子，但是器件本身不需要制冷，在室温下比较稳定，而且对制造工艺的要求不高。仅仅这两个优点，就让该技术成为了一种非常“自然”的量子比特候选方案。

麻省理工学院团队在制备量子寄存器的实验中用到了光学晶格技术，这是一种囚禁中性冷原子的方法。该团队利用激光干涉形成电磁场驻波势阱，通过该电磁场作用在中性原子上产生的偶极力，将原子囚禁在驻波的波腹或波节处。并且，每个势阱都捕获了一对钾-40原子。

该团队最初在单个原子对中发现了多个量子态的存在：两个钾-40原子既可能相互吸引，也可能相互排斥，与它们携带的能量有关。随后，该团队观察到了一种称为“费什巴赫共振”的现象，即对原子对施加一定的磁场，能够影响其处于不同量子态的概率。

光学晶格示意图（a），钾-40原子对的能量随外加磁场的变化（b），通过改变外加磁场实现对单个原子对（即量子比特）量子态的调控（c）

如下图c所示，麻省理工学院团队通过外部磁场将一定能量注入到单个原子对中，从而调控了量子比特中两个钾原子之间相互作用形式（由排斥到吸引，或由吸引到排斥），进而控制了其振动模式（即量子态）。

为了进一步探测量子寄存器中数百个量子比特的状态，研究者们利用激光对量子比特进行了荧光成像。他们发现，绝大多数量子比特都会呈现明暗交替的周期性变化。这种变化表明，这些量子比特在两个量子态之间发生了振荡。利用费什巴赫共振，麻省理工学院团队实现了对该振动频率跨越三个数量级的调控，并且其量子态的相干时间达到了10秒以上。

不同量子态对激光的散射行为示意图（左图，只有特定量子态会吸收并辐射光子，从而有荧光），量子寄存器中量子比特的荧光成像（右图）

该论文指出，该寄存器装置可以用于储存量子信息，并作为分子钟或量子计算中的计时器等。该论文通讯作者茨维尔莱因谈到：“在实验物理研究中经常会有一些明亮信号，但下一刻它们就会消失并且不会重现。但在这个实验里，信号变暗了，接着又亮了，而且反复振荡。这表明（量子比特）存在一种随时间演化的相干叠加态，（这个发现）真是个快乐时刻。”

值得一提的是，利用光学晶格捕获超冷原子气体并观察其量子效应，是凝聚态物理研究的热点之一。该领域不仅和化学、生物医学等学科广泛交叉，而且和精密测量、量子信息等应用方向紧密相关。

麻省理工学院的研究者们利用精心设计的实验开发了一种全新的量子比特和量子寄存器装置。该装置不需要庞大的制冷设备，只需维持超高真空环境，隔离了环境噪声，其量子态的相干时间比其他量子比特更长。

此外，该寄存器对工艺要求不高，量子比特数目容易扩展，因而与光子、超导等热门量子比特方案相比，具有一定优越性。这一重要成果为量子计算的基本元器件开辟了新的思路，有可能大大提高量子计算的效率，并加快实用量子计算机的到来。

当然，麻省理工学院团队也面临一系列技术上的挑战，例如如何使量子比特的相干时间更长（清华大学研究团队于2021年实現了量子比特大于1小时的相干时间），从而提高量子比特的操作次数;如何在该装置的基础上实现量子逻辑门，并完成量子运算的步骤等。总的来说，制造通用型量子计算机，还有很长的路要走。（综合整理报道）（编辑/华生）