成功構建混合量子系統，量子計算機更近一步

2020-08-28 科學新聞前沿


NIST物理學家周在實驗中調整用於操縱原子和分子的雷射束。來源：Burrus/NIST

美國國家標準與技術研究所(National Institute Of Standards And Technology)的物理學家通過將帶電原子和帶電分子連接或「糾纏」，加強了他們在量子水平上對分子基本性質的控制，展示了一種構建混合量子信息系統的方法，該系統可以操作、存儲和傳輸不同形式的數據。

《自然》雜誌5月20日在線發表的一篇論文中描述了這種新的NIST方法，它可以通過連接基於其他不兼容的硬體設計和工作頻率的量子比特(Qubit)來幫助建立大規模的量子計算機和網絡。混合平臺量子系統可以提供像傳統計算機系統那樣的多功能性，例如，可以在電子處理器、光碟和磁性硬碟驅動器之間交換數據。

NIST實驗成功地將原子離子中電子的性質與分子的旋轉態糾纏在一起，因此對一個粒子的測量將控制另一個粒子的性質。這項研究建立在該小組2017年展示的分子量子控制的基礎上，該演示將長期以來用於操縱原子的技術擴展到由多個原子結合在一起的分子提供的更複雜、可能更富有成效的領域。

分子和原子一樣，具有不同的內部能級，但也以許多不同的速度和角度旋轉和振動。因此，分子可以通過在每秒幾千到幾萬億周的大範圍量子比特頻率上轉換量子信息，在量子系統中充當介體。通過振動，分子可以提供更高的量子位頻率。

量子糾纏

NIST物理學家姆斯·金文·周(James Chin-wen Chou)說：「我們證明了原子離子和分子離子是糾纏在一起的，我們還證明了在分子中有廣泛的量子比特頻率可供選擇，」量子位用兩種不同的量子態來表示數字數據位0和1，例如原子中的低能級和高能級。一個量子比特也可以同時存在於兩種狀態的「疊加」中。NIST的研究人員將鈣原子離子的兩個能級與氫化鈣分子離子的兩對不同旋轉態糾纏在一起，氫化鈣分子離子是一個與氫原子相連的鈣離子。分子量子比特有一個轉換頻率，即在兩個旋轉態之間循環的速度，或者是13.4千赫茲(kHz，每秒數千個周期)的低能，或者是8550億周期每秒(千兆赫茲或GHz)的高能。

「分子提供了一系列的躍遷頻率選擇，我們可以從許多類型的分子中進行選擇，所以這是一個巨大的量子比特頻率範圍，我們可以將其引入量子信息科學，」周說。「我們正在利用自然界中發現的過渡，所以結果對每個人來說都是一樣的。」

實驗使用不同強度、方向和脈衝序列的藍色和紅外激

光束的特定公式來冷卻、糾纏和測量離子的量子態。

量子計算機概念圖

首先，NIST的研究人員捕獲這兩個離子並將其冷卻到最低能量狀態。由於物理上的接近和正電荷，這對行星相互排斥，這種排斥作用就像一個彈簧，鎖定了他們的運動。雷射脈衝增加了分子旋轉的能量，並創造了低能和高能旋轉態的疊加，這也引發了共同的運動，因此這兩個離子開始同步搖擺或擺動，在這種情況下是朝著相反的方向。

因此，分子的旋轉與其運動糾纏在一起。更多的雷射脈衝利用兩個離子的共同運動來誘導原子離子進入低能級和高能級的疊加。這樣，糾纏就從運動轉移到了原子周圍。研究人員通過向原子離子照射雷射並測量它的螢光，或者說它散射了多少光來確定原子離子的狀態。

NIST的研究人員用兩組分子的旋轉特性演示了這項技術，在低能對(量子位)下87%的時間成功實現了糾纏，在高能對(量子位)下成功實現了76%的糾纏。在低能量的情況下，分子以兩個略微不同的角度旋轉，就像一個頂部，但同時處於兩種狀態。在高能情況下，分子同時以兩種速度旋轉，速度相差很大。

2017年實驗中展示的量子邏輯技術使這項新工作成為可能。研究人員應用紅外雷射脈衝來驅動分子100多個可能的旋轉狀態中的兩個狀態之間的切換。研究人員知道這種轉變的發生是因為在兩個離子的共同運動中添加了一定的能量。根據原子離子發出的光信號，研究人員知道這些離子是糾纏的。

來源：Phys.org

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