量子计算作为改变未来信息处理范式的关键技术,一直以来都面临着系统规模和稳定性的双重挑战。量子比特,作为量子计算的基本单元,其数量的扩增以及在长时间内保持相干性的能力,直接决定了量子计算机执行复杂算法的深度和效能。近期,科学家们取得了一项令人瞩目的进展:成功实现了一个包含超过3000个量子比特的中性原子系统的连续运行,突破以往因原子损失而受限的脉冲式操作模式。这一创新不仅显著提升了量子系统的循环速率,还开启了容错量子计算和高精度量子传感的新纪元。 中性原子作为量子信息载体拥有诸多优势。它们具备优异的量子态寿命,能在光学晶格中被稳定俘获,且便于通过激光实现精确控制。
然而,原子损失一直是限制此类系统持续运行的主要障碍,传统方法多采用脉冲式操作,在每个周期结束后必须重置和重载原子,导致系统效率和连续性大打折扣。 此次突破的关键在于设计了一套双光格传送带系统,用以将激光冷却的87Rb中性原子高效输送至科学操作区域并作为原子储备库。通过两个串联的光学晶格传送带,原子云被稳定地输送并持续补充,避免了频繁且耗时的重新加载过程。更重要的是,从储备原子云中重复提取原子至动态光学镊子阵列时,系统无需任何激光冷却即可实现高效装载,这一"黑暗"装载方式极大地减少了对存储量子比特相干性的干扰。 在这一体系结构中,光学镊子以高速(达到每秒30万个原子)不断装载和组装原子,形成超过3000个可初始化的量子比特阵列。所提取的原子先进入一个称为"制备区"的区域,在此完成激光冷却、成像、无缺陷重排和态初始化,然后被转运至"存储区"长期保存。
存储区通过空间布局和光学屏蔽技术,有效地避免了制备区和冷却激光对储存量子比特的相干破坏,实现了持续数小时的稳定运行,远超传统光学镊子中原子有限的寿命。 系统还采用了高度优化的激光相干控制技术来实施单量子比特门操作,通过光学拉曼跃迁执行高保真度的量子门,最大限度地减少环境噪声和光学散射带来的退相干。此外,动态解耦序列的应用显著延长了存储区量子比特的相干时间,达到约1秒的相干寿命,这对于进行深度量子电路运算和实施量子纠错尤为关键。 对存储区量子比特的保护包含一种新颖的态屏蔽技术,通过在激发态上施加强光学耦合,产生Autler-Townes效应来远离近共振激光的散射频率,从而有效抑制光子散射。这种技术确保了在执行制备和成像操作时,存储区的量子比特能够不受影响地保持相干,从而支持量子信息的无缝增益和替换。 在连续运行的循环中,系统周期性地将最早存储的子阵列原子逐出,并以新制备的量子比特替换,实现了量子比特的实时补充和维护。
该过程对其余存储子阵列的相干状态几乎无干扰,使得整个超过3000比特的系统能够持续工作数小时,甚至理论上做到无限持续。这种架构具备了支撑容错量子计算的潜力,特别是在实现大规模量子纠错代码及深度量子算法的场景中表现尤为出色。 此外,随着制造工艺和控制算法的改进,预计未来可以缩短制备周期,扩大制备区阵列规模,从而实现更高的量子比特补给速率。利用高功率激光和高效衍射光学元件,如超表面(metasurfaces),系统可扩展至支持数万量子比特,有望推动量子计算机的规模化和实用化。 此项技术进展不仅为量子计算提供了强大支撑,也对量子计量和量子网络领域带来深远影响。连续且高效率的量子比特流可显著提高原子钟的稳定性,减少"死区时间"及相关噪声源。
此外,它为实现高速远程量子纠缠生成、量子通信和量子网络的高带宽操作奠定了基础。 当前实验以中性87Rb原子为平台,其激光操控和光学布局具备高度灵活性,能够集成多种量子门和纠错协议。在未来,结合其他原子种类或杂化系统,有望进一步提升系统性能和功能多样性。 这项持续运行的3000比特量子系统架构,是量子信息科学迈向实用化的重要里程碑。它克服了原子损失限制,在保持相干性的同时实现了高速原子替换和大规模量子比特维护,为未来构建深层次容错量子电路提供了坚实基础。随着技术不断成熟,其在量子模拟、量子增强传感以及量子计算领域的应用前景令人期待。
量子科技的新时代,正因这类创新成果愈加光明。 。
