經(jīng)典計算機的單元是比特（bit），量子計算的基礎(chǔ)是量子比特（qubit）。有科學(xué)家把量子比特比作“海邊一幅精美的沙畫，一個浪打過就沒了”。科學(xué)家們競相尋找方法，試圖將量子體系盡量和環(huán)境隔絕以延長被浪打沒的時間，但要操縱它又必須要與它發(fā)生作用。如何做到完美地操縱和隔離是對實驗者技術(shù)的考驗。
最近，中科院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所詹明生研究員團隊在國際上首次實現(xiàn)了保真度超過99.99%、錯誤率低于0.01%的原子量子態(tài)操控，突破了中性原子量子計算的一個重要障礙。這一研究成果被國際權(quán)威期刊《物理評論快報》選用發(fā)表。
超導(dǎo)、半導(dǎo)體作為量子計算的候選體系已經(jīng)取得了一系列研究進展，為什么還要研究中性原子？中性原子用于量子計算到底有哪些優(yōu)勢？如何獲得國際最高精度的單比特量子態(tài)操控？科技日報記者帶著這些問題采訪了詹明生團隊。
精度越高，計算結(jié)果越準(zhǔn)確
人類對物質(zhì)世界的認(rèn)識，是從地球到太空，從宏觀到微觀，而量子力學(xué)就是描述微觀物質(zhì)的理論。量子力學(xué)雖然屢屢違反直覺并難以理解，但我們每天的日常生活都有它的影子。從簡單的激光筆到手機到電腦，這些都是受量子力學(xué)支配的微觀粒子在宏觀上產(chǎn)生的效果。
團隊副研究員何曉東介紹，量子力學(xué)的威力不僅限于此，當(dāng)它與計算這種操作相結(jié)合之后，將產(chǎn)生一種新的計算方式：量子計算。量子計算的應(yīng)用很廣，在量子模擬、人工智能、制藥、量子加密等領(lǐng)域都有用武之地，前途不可限量。
目前對量子計算的研究還在“小學(xué)階段”，還不能與現(xiàn)在的經(jīng)典計算機相比。單離子、核磁共振、光子、中性原子、固體量子點，以及最近很受工業(yè)界重視的超導(dǎo)電路，這些都是各國科學(xué)家們正在努力實現(xiàn)量子比特的方向。而詹明生團隊選擇了中性原子作為實現(xiàn)量子比特的主攻方向。
副研究員許鵬對科技日報記者說，中性原子雖然是科學(xué)家比較早提出來作為實現(xiàn)量子比特的候選體系，但它是一個很難操控的粒子，一直無法突破達到一個比特99.99%操控精度的通用目標(biāo)。
這是一個比較大的門檻。我們可以設(shè)想，通過量子計算處理一個問題時，需要對量子比特進行多次的操控，假如每一次操控精度都不夠高，只有90%，那僅僅經(jīng)過7次操控，得到正確結(jié)果的概率就只有48%，這也意味著我們無法區(qū)分得到的結(jié)果是否正確。操控精度越高，得到的計算結(jié)果越準(zhǔn)確，可以操控的次數(shù)越多，才能處理更復(fù)雜的問題。當(dāng)我們的操控精度達到99.99%時，操控的次數(shù)就可以達到7000次，更關(guān)鍵的是我們可以實現(xiàn)量子糾錯，進一步提高量子計算的容錯能力。
許鵬告訴記者，他們在完成了單比特99.99%操控精度后，就會轉(zhuǎn)向兩個比特99%操控精度的方向。
在做多量子比特上潛力非常大
上世紀(jì)80年代，諾貝爾獎獲得者理查德·費曼等人提出構(gòu)想，基于兩個奇特的量子特性——量子疊加和量子糾纏構(gòu)建“量子計算”。
傳統(tǒng)計算機通過控制晶體管的高低電平，決
定一個比特是“1”還是“0”，組成數(shù)據(jù)序列串行處理。而疊加性讓一個量子比特可以同時具備“1”和“0”兩種狀態(tài)，糾纏性可以讓多個比特共享狀態(tài)，創(chuàng)造出“超級疊加”的量子并行計算，計算能力隨比特數(shù)增加呈指數(shù)級增長。
理論上講，量子計算機可以將傳統(tǒng)計算機數(shù)萬年才能處理的復(fù)雜問題，幾秒鐘就解決。擁有300個量子比特，就能支持比宇宙中所有粒子數(shù)量更多的并行計算。
量子計算關(guān)乎未來的競爭，已成為各國競相爭逐的前沿科學(xué)。超導(dǎo)、半導(dǎo)體作為量子計算的候選體系已經(jīng)取得了一個又一個“戰(zhàn)果”，為什么還要用中性原子來做？許鵬解釋道，中性原子與離子非常接近，它也是自然界存在的粒子體系，通常一個原子的直徑在0.05納米和0.5納米之間，比頭發(fā)絲直徑還小幾千倍到幾萬倍。原子有一個非常大的優(yōu)勢，在很小的范圍內(nèi)可做出很多個量子比特。
每多一個量子比特就代表著計算能力的大幅提升。許鵬說：“這就像我們傳統(tǒng)的計算機里面的處理器，一開始大概集成了幾百個晶體管，后來到幾萬個、幾十萬個、幾千萬個，到現(xiàn)在上億個。每一個晶體管就相當(dāng)于一個量子比特，量子比特越多，將來的計算潛力越大。”
當(dāng)然，要真正轉(zhuǎn)化為實際的計算能力，還需要有高保真、低誤差的普適量子門。許鵬表示，現(xiàn)在一方面他們在向操控得足夠好的方向努力；另一方面，中性原子量子計算候選體系在做多量子比特上具有非常大的潛力，這一點也是他們這個體系最大的優(yōu)勢。一旦把一個比特操控得很好之后，再做出很多個比特，就會向量子計算邁出堅實的一步。
讓能級擾動降低了一百倍
詹明生團隊十年來一直在做一件事情——利用囚禁在光阱中的中性原子搭建量子計算機。2017年，團隊曾在國際上首次實現(xiàn)了一種量子計算所需的關(guān)鍵邏輯門——兩個異核原子的受控非門，并利用該量子門演示了最簡單的兩個量子比特計算，即將異核原子糾纏起來。
何曉東說：“這次的研究與‘兩個異核原子的量子糾纏’不同，我們要解決的是量子計算所需的另一種普適量子門，即單比特量子邏輯門的操控精度問題。”
在此前的實驗研究中，國際上眾多研究組將激光成功地調(diào)制為光阱陣列用于裝載中性原子并以此為基礎(chǔ)搭建量子寄存器。但之前囚禁原子的激光都會對原子量子比特能級產(chǎn)生較大的擾動，導(dǎo)致單量子比特邏輯門的操控精度存在較大誤差。
何曉東說，通俗一點講，要達到極高的精度，一方面操控手段要足夠精確，好比你需要一把高精度的狙擊槍，另一方面原子狀態(tài)也必須足夠穩(wěn)定，也就是靶子不要亂晃；這樣當(dāng)你對準(zhǔn)后，才能槍槍命中靶心。囚禁光場對原子能級的擾動問題也成為基于中性原子搭建實用型量子計算機的障礙之一。
分析表明，解決該問題的途徑在于有效壓制囚禁光場對原子的擾動。為此，該研究團隊研發(fā)了魔幻光強技術(shù)，將囚禁原子激光引起的擾動降低了一百倍，使得量子比特的相干性保存時間達到秒量級。緊接著，他們利用該技術(shù)構(gòu)造了新型的量子寄存器，能夠提供高品質(zhì)的量子比特，最終解決了單比特門的操控精度問題，該精度能與囚禁離子相媲美。但與離子相比，中性原子因為不帶電，可以更方便地構(gòu)成光阱原子陣列，實現(xiàn)多比特擴展。
詹明生介紹，該研究成果是該團隊發(fā)展的魔幻光強囚禁原子與量子態(tài)精密操控技術(shù)在高保真全局單比特量子邏輯門的成功應(yīng)用，將推動中性原子量子計算的發(fā)展，為下一步構(gòu)造可擴展的中性原子量子信息處理技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。（記者 劉志偉 通訊員 羅 芳）