科学家发现：振动的原子可以制造出强大的量子比特

近日，麻省理工学院的物理学家发现了一种新的量子比特或称为“qubit”，其形式是被称为费米子（fermions）的振动原子对。他们发现，当成对的费米子被冷却并被困在一个光学晶格中时，这些粒子可以同时以两种状态存在，这是一种被称为叠加的奇怪量子现象。在这种情况下，原子保持两种振动状态的叠加，在这种状态下，这对原子相互摆动，同时也同步摆动。

研究团队能够在数百对振动的费米子之间保持这种叠加状态。通过这样做，他们实现了一个新的“量子寄存器”或量子位系统，该系统在相对较长的时间内似乎是稳健的。这项研究表明，这种不稳定的量子比特有望成为未来量子计算机的基础。

一个量子比特代表了量子计算的一个基本单位。当今计算机中的经典比特从0或1两种状态中的一种开始进行一系列的逻辑运算，而量子比特可以存在于两种状态的叠加之中。在这种微妙的中间状态下，一个量子比特应该能够同时与许多其他量子比特通信，并一次处理多个信息流，以快速解决传统计算机需要数年才能处理的问题。

麻省理工学院团队的新量子比特似乎非常强大，即使在环境噪音中，也能够保持两种振动状态之间的叠加长达10秒。该团队认为，这样可以使新的振动量子比特进行短暂的交互，并可能在眨眼之间进行数万次操作。

这项研究的新发现是偶然获得的。当时团队正研究原子在超冷、超低密度下的行为。当原子冷却到星际空间百万分之一的温度，并以空气百万分之一的密度隔离时，就会出现量子现象和新的物质状态。

在这些极端条件下，团队研究费米子的行为。费米子在技术上被定义为任何具有奇数半整数自旋的粒子，如中子、质子和电子。实际上，这意味着费米子本质上是多刺的。没有两个相同的费米子可以占据相同的量子态——这一特性被称为泡利不相容原理（Pauli exclusion principle）。例如，如果一个费米子旋转起来，另一个必须旋转下来。

团队在研究钾40的费米子原子。他们将一团费米子冷却到100纳开尔文，并使用激光系统生成一个光学晶格来捕获原子。他们调整了条件，使晶格中的每个井都能捕获一对费米子。最初，他们观察到在某些条件下，每对费米子似乎同步移动，就像单个分子一样。

为了进一步探索这种振动状态，他们给每个费米子对踢了一脚，然后拍摄了晶格中原子的荧光图像，并发现每隔一段时间，晶格中的大多数正方形都会变暗，这反映出分子中结合的对。但是当他们继续对系统进行成像时，原子似乎以周期性的方式重新出现，表明这些原子对在两个量子振动状态之间振荡。

经过进一步的成像和计算，物理学家证实，费米子对保持两种振动状态的叠加，同时一起移动，就像两个钟摆同步摆动，但也出现相对或相互对抗。

研究人员认为，为了使用振动量子比特制造功能性量子计算机，还必须找到控制单个费米子对的方法——物理学家已经离解决这个问题更近一步。但是，更大的挑战将是找到一种让单个量子比特相互通信的方式。

题为Quantum register of fermion pairs的相关研究论文发表在《自然》上。

前瞻经济学人APP资讯组

论文原文：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-04205-8