日本实现量子计算机实用化关键性技术突破

日本国立自然科学研究院分子科学研究所（IMS）8日发表在《自然·光子学》在线媒体上的最新成果：

使用高聚焦脉冲激光，对利用光镊技术捕获的两个冷却到几乎绝对零且仅相隔一微米的原子，进行10皮秒的（1皮秒为万亿分之一秒）光子撞击，从而实现对这对原子量子态的操控，成功实现了世界上最快的双量子位门操作，其运行时间仅为6.5纳秒（1纳秒为十亿分之一秒）。

光镊是一种已经开始广泛应用于生物医学领域，利用高聚焦激光实现直接作用于细胞甚至更小的目标（比如这次的冷冻原子）的超高精度物理操控技术。

这一技术的基础原理是：被操控物体在光镊设备中被会吸引到光束聚焦点中心。作用于物体上力的大小与物体到光束中心的距离成正比，遵守虎克定律。

在未聚焦的激光场景中，根据射线学原理：当被操控物体偏离光束中心时，由于光束中心的光强较大，动量的转移造成对被操控物体有一个指向光束中心的合力。当被操控物体处于光束中心时，被操控物体受到的横向合力为零。但是未聚焦的激光会对被操控物体造成沿着光线传播方向的力，

在聚焦的激光场景中，根据射线学原理：聚焦的激光除了可以将被操控物体困在激光的中心轴上，还可以将它困在光轴上的特定位置：无论被操控物体在激光聚焦点之前或之后，动量的传递都会对被操控物体产生一个指向激光聚焦点的合力。因此，被操控物体会被固定于聚焦点稍微偏后一点的位置。（稍微偏后是因为颗粒会由于光的散射而受到沿着光传播方向的力）。

当被操控物体的尺寸与激光波长在同一数量级时，可以利用麦克斯韦方程组来解释其原理。

而本次发表的成功正是利用光镊技术实现的，这一技术有望催生全新的量子计算机硬件，突破目前正在开发的超导计算机和离子阱量子计算机的限制。

IBM的超导量子计算机

谷歌的超导量子计算机

离子阱量子计算机

离子阱量子计算机

与超导和离子阱类型相比，利用光镊技术的量子门操控可很容易地扩大到更大的规模，同时保持高相干性，这使得这项技术具有革命性的潜力。

一台量子计算机的最基础单元是量子门，它就如现有通用计算机芯片中由晶体管构建的逻辑门，量子门包括单量子位门和双量子位门。这次成功实现的是最重要的双量子位门之一，称为“量子闸/泡利Z闸/受控Z门”。

传统芯片的晶体管是半导体，它拥有两种状态，导电与不导电，从而在二进制的逻辑门电路中模拟“0”和“1”，实现与、或、非、异或的逻辑运算。而且晶体管的状态在正常环境中也非常稳定，这让半导体芯片得以实现在正常环境中的生产制造与使用。

但是量子计算机不同，它操控的不是晶体管，是电子/光子，而由于这些微观粒子的自旋/偏振拥有三种不同的电荷方向状态，即“0”；“1”；“0/1”的叠加态，需要非常高的采集精度准确采集量子门（单量子位门/双量子位门）的量子态，

同时由于量子门的信号保真度很容易受到来自外部环境和激光器的噪声影响，这使得量子计算机的发展变得非常困难。由于噪声的时间尺度一般慢于1微秒（1000纳秒），如果能够实现比这快的量子门，就可以避免因噪声而导致计算精度下降，

日本国立自然科学研究院分子科学研究所（IMS）的科学家使用铷原子进行了实验，

铷原子量子位

在光镊设备中使用激光束将已冷却至接近绝对零度的两个铷原子以微米间隔排列；然后用10皮秒的脉冲激光照射它们，使环绕在最小轨道中的两个电子被撞入外层轨道，这使得原子之间的相互作用导致轨道形状和电子能量的周期性来回交换，周期为6.5纳秒，通过这样的振荡实现了双量子位门。

当原子1处于“0”状态，没有任何改变（上）。当原子1处于“1”状态时，原子2的叠加符号由正变为负（下）。

正是这种操作，让量子计算机上的核心--量子算法得以实现。

在过去的量子计算机开发过程中里，所有的量子计算机硬件都在追求更快的门。

这次使用的光镊技术实现的6.5纳秒超快量子门比噪声快两个数量级以上，因此可忽略噪声对信号精确度的影响，这次的研发成果将推进未来的量子计算机，发展成为更具有实用价值的量子计算机。