【陈根：512个量子位的中性原子体系，量子计算更进一步】文/陈根
1900 年 ， 德国物理学家普朗克（Max Planck）提出量子概念 ， 打开了量子世界的大门 。 基于量子学说而诞生的量子计算机拥有高出普通计算机数十甚至数百倍的算力 ， 是吸引了无数科技公司、大型学术团体乃至中国政府的研究热点 。 其中 ， 在普通的日常计算机中 ， 信息的基本单位是位（Bit） 。 所有这些计算机所做的事情都可以被分解成0s和1s的模式 ， 以及0s和1s的简单操作 。 与传统计算机由比特构成的方式类似 ， 量子计算机由量子比特（quantum bits）或量子位（qubits）构成 ， 一个量子比特对应一个状态（state） 。 但是 ， 比特的状态是一个数字（0或1） ， 而量子比特的状态是一个向量 。 更具体地说 ， 量子位的状态是二维向量空间中的向量 。 这个向量空间称为状态空间 。 相较于经典计算 ， 基于量子比特特性的量子计算机优势显而易见 。 经典计算机中的2位寄存器一次只能存储一个二进制数 ， 而量子计算机中的2位量子比特寄存器可以同时保持所有4个状态的叠加 。 当量子比特的数量为n个时 ， 量子处理器对n个量子位执行一个操作就相当于对经典位执行2n个操作 ， 这使得量子计算机的处理速度大大提升 。 可以说 ， 量子计算机最大的特点就是速度快 。 也就是说 ， 随着量子处理器的规模扩大 ， 每增加一个量子位 ， 空间复杂度（执行算法所需的内存空间量）就会加倍 ， 从而使经典计算机能够可靠地模拟量子电路 ， 而空间复杂度加倍带来的好处就是让人们进入超越经典计算机能力的领域 。 但显然 ， 这不是一个容易的过程 。 此前 ， 用于量子计算的中性原子体系只局限于单个原子元素阵列 。 但由于阵列中的每个原子都具有相同特性 ， 因此要在不干扰相邻原子的情况下 ， 测量单个原子是极其困难的 。 现在 ， 芝加哥大学普利兹克分子工程学院助理教授Hannes Bernien所带领的团队创造了一个由铷原子和铯原子构成的双元素中性原子阵列 ， 可以单独控制每个原子 ， 实现了首个由512个量子位组成的中性原子体系 。
要知道 ， 目前 ， 谷歌和IBM公司的量子计算机由超导电路构成 ， 只达到约130个量子位 。 尽管芝加哥大学团队的设备还不算是量子计算机 ， 但由原子阵列制成的量子计算机将更容易扩大规模 ， 带来一些新的突破 。 在由两种不同元素的原子组成的混合阵列中 ， 相邻两个原子可以是不同元素 ， 具有完全不同的频率 。 这使得研究人员更容易测量和操作单个原子 ， 而不受周围原子的干扰 。 芝加哥大学团队使用512个光镊捕获铷原子、铯原子各256个 ， 并观察到两个元素之间的干扰能够忽略不计 。 这种原子阵列的混合特性也为许多应用打开了大门 ， 这些应用无法通过单一元素原子实现 。 正如Bernien所表示的 ， “我们的工作已经启发理论学家为此思考新的量子协议 ， 这正是我所期望的 。 ”
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