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里德堡離子阱研究新成果 新型量子計算機近在咫尺


- 2018年5月07日07時53分
- 科學文摘 / 科技工作者之家

科技工作者之家

里德堡離子阱研究新成果 新型量子計算機近在咫尺圖片

▲研究人員利用雷射將一個鍶離子激發到里德堡激發態,然後用它來演示一個量子比特的里德堡門,而這是構想中的里德堡離子阱量子計算機的基本要素之一。

日前,物理學家已經成功構建了單量子比特的里德堡門,而這一技術是打造里德堡離子阱量子計算機的基本要素之一。
這一成就說明了製造新型量子計算機的可行性,並有望克服當前量子計算方法面臨的量子數量增加時遇到的難題。該研究發表在最新一期的《物理評論快報》上,作者是物理學家傑拉德·希金斯(Gerard Higgins)、馬庫斯·亨里奇(Markus


Hennrich)以及瑞典斯德哥爾摩大學、奧地利因斯布魯克大學的研究人員。

目前,量子計算機面臨的最大挑戰之一是如何按比例增加每個邏輯門中的糾纏量子比特數量,這對於進行實際的量子計算至關重要。在某種程度上,增加數量如此困難的部分原因是,離子阱系統中常用的多比特量子門隨著量子比特數量的增加會產生頻譜擁擠的問題。然而,里德堡離子阱系統能有效避免頻譜擁擠的干擾,這就意味著如果用里德堡離子阱量子比特來製造量子計算機,就可能為量子計算機在量子數量增加時遇到的瓶頸問題提供了新的解決路徑。

在目前的研究中,研究人員建造了第一個單量子比特的里德堡門,他們預計能夠將單量子位的版本升級成一個雙量子比特的里德堡門,並在將來增加更多的量子數量。

為了構建單量子比特的里德堡門,物理學家們首次需要證明一個連續的里德堡離子激發態。這是一個分兩步走的過程,先把一個鍶離子限制在一個阱里,再利用雷射把低量子比特狀態激發提升到第一個激發態,然後再將這個狀態激發為更高能量狀態的里德堡激發態。里德堡激發態被認為是物質的異常態,因為此時離子(最外層)的價電子被激發到高能的電子軌道上,離原子核遠得幾乎不受離子的束縛了。

該項研究最關鍵的成就是,里德堡激發態是以一種連貫的方式實現的,這對於構建多量子位里德堡門是非常必要的。通過將連續的里德堡激發態與量子比特的操縱方法相結合,研究人員可以實現單量子裡德堡門。


「這項研究表明,里德堡離子可以被連貫地控制,所以那些利用中性里德堡原子探索到的有趣現象,也可以在該系統中進行探索,另外,捕獲離子的系統與捕獲原子系統相比,對該系統精密的控制還可能賦予研究人員額外的優勢。」希金斯對物理學網說。


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