日本自然科学研究机构分子科学研究所的大森贤治教授等人组成的研究团队，利用光镊以微米间隔捕获了两个几乎冷却至绝对零度的气态铷原子，并用发光时间只有10皮秒（皮秒＝一万亿分之一秒）的特殊激光对其进行了操作，成功执行了仅以6.5纳秒（纳秒＝十亿分之一秒）的全球最快速度运行的“双量子比特门”。 “双量子比特门”是量子计算不可或缺的基本运算要素。此举有望打破目前先行开发的超导型和离子阱型量子计算机的极限，所以作为全新冷原子型量子计算机硬件而备受期待。相关成果已于8月9日发布在英国科学期刊《Nature Photonics》的网络版上。
图1：全球最快的双量子比特门概念图。
利用发光时间只有10皮秒的特殊激光（蓝色光）操作光镊（红色光）以微米间隔捕获的两个原子。（供图：日本自然科学研究机构分子科学研究所大森团队 富田隆文特任助教）
操作速度仅6.5纳秒，分子科学研究所实验成功
此次成功实现的是名为“受控Z门”的代表性双量子比特门，是所有量子门的母体，这是根据一个量子比特的状态“0或1”，将另一个量子比特的叠加态由“0+1”变为“0-1”的操作。
量子门的精度（保真度）受外部环境和操作激光等产生的噪声影响很容易降低，因此加大了开发量子计算机的难度。不过，噪声的时间尺度通常慢于1微秒（100万分之1秒），因此如果能实现足够快于这个速度的量子门，就可以“完全”避免噪声造成的计算精度下降，向实用量子计算机的实现迈进一大步。
在过去的20年里，所有量子计算机硬件都在追求更快的量子门。此前的高速量子门世界记录是2020年Google AI（美国谷歌公司人工智能部门）利用超导型量子门实现的15纳秒。
而此次的冷原子型硬件的双量子门实现了远远超过这个速度的6.5纳秒，比噪声快2位数以上，其影响可以忽略不计，因此距离实现实用量子计算机又近了一大步。
图2：使用铷原子的量子比特概念图。（供图：日本自然科学研究机构分子科学研究所大森团队 富田隆文特任助教）
此次的实验利用激光特殊冷却法将两个气态铷原子冷却至无限接近绝对零度的约10万分之1开尔文。利用将激光束聚焦成微米级细度，并在其焦点部分捕获微小颗粒的特殊技术“光镊”，以微米间隔排列了这两个原子。
接下来，研究团队向这两个原子照射只发光1000亿分之一秒的超短脉冲激光，观察了其变化。实验发现，两个相邻原子（原子1和原子2）各自的5S轨道中的两个电子会吸收超短脉冲激光，变成巨大的43D电子轨道（里德堡轨道），并观察到了电子能量在两个原子之间周期性移动的现象。
这种原子之间的能量交换能改变两个原子的量子态的“符号”，可以应用于量子门操作。因此，研究团队利用这种现象，使用以原子中的电子态——5P电子态为“0”态，43D电子态为“1”态的量子比特，进行了量子门操作。
将原子1和原子2分别作为量子比特1和量子比特2，利用超短脉冲激光诱导能量交换时观察到，在一个能量移动周期（6.6纳秒）内，只有当量子比特1处于“1”的状态时，量子比特2的叠加态符号才会反转，由两个波峰重叠对齐的“0+1”状态变成两个波峰和波谷重叠对齐的“0-1”状态。也就是说，由此确认了双量子比特门（受控Z门）的6.5纳秒动作。
图3：量子门操作及其执行结果。
只有当原子1（量子比特1）处于“1”的状态时，量子比特的符号才会由两个波峰重叠对齐的状态“0”＋“1”状态向两个波峰与波谷重叠对齐的状态“0”-“1”状态反转。（供图：日本自然科学研究机构分子科学研究所大森团队 富田隆文特任助教）
大森教授就此次成果举行记者发布会时介绍说：“我们的研究目前已经可以实现400量子比特。我们希望在今后一两年内扩大到1000量子比特左右。另外，量子门操作速度未来还可以加速至1纳秒”。
原文：《科学新闻》
翻译编辑：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Nature Photonics
论文：Ultrafast energy exchange between two single Rydberg atoms on the nanosecond timescale
DOI：10.1038/s41566-022-01047-2
