十萬量子比特量子計(jì)算機(jī)：美國科學(xué)家研發(fā)"極強(qiáng)"激光技術(shù)

研究人員通過平面納米透鏡成功囚禁1000個(gè)鍶原子。

美國科學(xué)家開發(fā)出一項(xiàng)新技術(shù)，通過將光學(xué)鑷子和超表面兩大尖端技術(shù)融合為單一平臺(tái)，有望使量子計(jì)算機(jī)規(guī)模突破10萬量子比特。哥倫比亞大學(xué)副教授塞巴斯蒂安·威爾博士與虞南方博士帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)整合這兩種技術(shù)，大幅擴(kuò)展了"中性原子陣列"的規(guī)模。

中性原子陣列利用被稱為光學(xué)鑷子的高度聚焦激光束，將原子囚禁在一維、二維或三維構(gòu)型中。由于每個(gè)原子可充當(dāng)一個(gè)量子比特，該技術(shù)被視為構(gòu)建先進(jìn)量子計(jì)算機(jī)最具前景的平臺(tái)之一。"我們正在為打造超過10萬量子比特的量子計(jì)算機(jī)奠定關(guān)鍵基礎(chǔ)，"威爾解釋道。研究團(tuán)隊(duì)已成功囚禁1000個(gè)鍶原子，證實(shí)該方案遠(yuǎn)超當(dāng)前系統(tǒng)規(guī)模。

全新量子路徑

由于每個(gè)原子本質(zhì)相同，無需大量校準(zhǔn)或同步——這一過程對(duì)于人工制造的量子比特會(huì)隨數(shù)量增長而越發(fā)困難。然而，盡管科學(xué)家囚禁原子的技術(shù)已有十年歷史，大規(guī)模操控始終是主要瓶頸。現(xiàn)有光學(xué)鑷子依賴空間光調(diào)制器、聲光偏轉(zhuǎn)器等笨重昂貴部件，限制了陣列規(guī)模。

加州理工學(xué)院近期用此類方法成功囚禁6100個(gè)原子。"他們的成果令人驚嘆，"威爾評(píng)價(jià)道，但這距離實(shí)現(xiàn)實(shí)際量子優(yōu)勢(shì)仍有差距。"通過超表面鑷子陣列方案，我們希望將中性原子陣列規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)展，甚至突破10萬原子，"威爾透露。研究中，團(tuán)隊(duì)用超表面替代傳統(tǒng)系統(tǒng)——這種由數(shù)百萬納米級(jí)"像素點(diǎn)"構(gòu)成的平面超薄光學(xué)器件，在單束激光通過時(shí)可同步形成數(shù)千（乃至數(shù)十萬）個(gè)緊密聚焦的激光光斑。

"本研究所用超表面可視為數(shù)萬個(gè)平面透鏡在同一平面上的疊加，各透鏡焦點(diǎn)位置不同，"虞南方表示，"單束激光入射時(shí)，一塊超表面能同步產(chǎn)生數(shù)萬個(gè)聚焦光斑。"

重大突破

由氮化硅和二氧化鈦制成的超表面可耐受超過2000瓦/平方毫米的光強(qiáng)，約為地表太陽光強(qiáng)度的百萬倍。參與該項(xiàng)目的研究生袁旭（音譯）指出："超表面的高功率承載能力，結(jié)合潔凈室納米加工可擴(kuò)展制造更大更精密器件的特性，使我們的平臺(tái)獨(dú)具實(shí)現(xiàn)大規(guī)模光學(xué)鑷子陣列的潛力。"

研究團(tuán)隊(duì)通過將原子囚禁至多種高度均勻的二維陣列，展示了超表面光學(xué)鑷子平臺(tái)的多功能性。這些構(gòu)型包括1024位點(diǎn)的方晶格、準(zhǔn)晶體、數(shù)百位點(diǎn)的自由女神像圖案，以及原子間距僅1.5微米的圓形陣列。他們還研制出寬3.5毫米、包含超1億像素的超表面，可生成600×600陣列（總計(jì)36萬個(gè)光學(xué)鑷子），規(guī)模超現(xiàn)有技術(shù)兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

研究人員表示，中性原子陣列具備切實(shí)的可擴(kuò)展路徑，其潛在應(yīng)用不僅限于量子計(jì)算機(jī)，還可延伸至量子模擬器、便攜光學(xué)原子鐘等領(lǐng)域。

該研究已發(fā)表于《自然》期刊。

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