宾夕法尼亚州立大学为125量子比特的计算引擎造出了框架

10年前，量子计算还是室内游戏。量子计算机的拥护者们可对这一科技进行大胆的预测，因为当时没有人知道如何将几个量子比特串联起来。

时代已经不同了。目前，IBM已经拥有了一台50量子比特的机器，英特尔的是49量子比特，而谷歌已经开发出了72量子比特的设备。宾夕法尼亚州立大学的研究者们宣布，他们已经为125量子比特的计算引擎造出了框架。

但是与IBM、英特尔和谷歌的成熟设备不同，宾夕法尼亚州立大学系统概念验证系统的基础元件不是计算机芯片，而是原子时钟。

宾夕法尼亚州立大学研究团队以及世界各地的研究者们提出了中性原子量子计算机（neutral-atom quantum computer）的概念，它使用激光阱中的铯原子（精确计时的黄金标准）作为计算机引擎的量子比特基础。“原子是我们最了解的量子力学系统。”宾夕法尼亚州立大学的物理教授大卫•维斯（David Weiss）说道。这位教授的团队在《自然》上发表了一篇论文，宣称他们已经成功使用激光在一个立方体中实现了125铯原子的悬停和冷却，每两个邻近的铯原子之间的距离为5微米。（量子比特可以加载、冷却以及屏蔽干扰。但该团队尚未开发出必要的逻辑门和纠错方法使量子比特运行）。

原子时钟的计时基础是这些经过充分研究的超冷稳定原子的特性。它被称为超精细分裂，涉及每个原子最外层电子的自旋（今天，人们普遍将原子秒定义为铯在超精细分裂过程中产生9192631770个辐射周期的时间）。

量子计算机的设计理念与原子时钟的铯量子态一致。作为量子计算机的一部分，铯原子依赖于一种量子特性，而这种特性并没有运用到原子时钟上。和所有的量子比特一样，铯原子量子计算机中的量子比特可以占用一个超精细状态（称之为0）或占用一个稍高的能态（称之为1），或者在量子计算的核心处于一个既有一个比特0又有一个比特1的中间状态——称为量子叠加。

要想使用原子阵列实现量子计算机，原子必须纠缠。对此，维斯解释道，在125量子比特的3D阵列内，激光将单个的原子激发进入高度活跃的电子态，然后再将其冷却。他说道，整个系统十分敏感，以至于目标原子附近的铯原子能感知到它的活跃以及冷却，足以使阵列中的部分原子发生纠缠。

威斯康星大学麦迪逊分校的物理教授马克•萨夫曼（Mark Saffman）说，他的团队能够将捕获的铯原子2D阵列中的量子态维持10秒甚至更久（萨夫曼还提到，这一数据来自维斯的研究团队）。相比之下，一个典型的操作（比如，将两组量子比特相乘）花费的时间只有1微秒或者更短。萨夫曼说，这种潜力是系统固有的，可在量子态因为噪声而崩溃之前进行很多操作。“使用激光束将原子量子比特激发至高激状态，我们可任意启动非常强烈的交互作用。”

马里兰大学的物理教授威廉•菲利普斯（William Phillips）曾在1997年因在激光原子陷阱方面的杰出贡献而荣获诺贝尔物理学奖，他说，中性原子量子计算的另一个挑战是做出权衡和取舍。

“没有了远程强劲的库伦相互作用，我们可轻松地将许多原子放入一个小容积中。但是同时也意味着更难操控原子，进而实现快速量子门。”菲利普斯说。

科罗拉多州博尔德市ColdQuanta公司的首席执行官达纳•安德森（Dana Anderson）说，既然单个原子能够被有效地稳定并冷却到100毫微开尔文以下，这说明大部分的基础科学已经准备就绪。他还说道，ColdQuanta正在努力实现萨夫曼和维斯的构想——将中性原子作为量子计算机或模拟器的基础。

“一旦将原子的温度降到这么低，我们就可以预见一大批量子科技的诞生，”安德森说道，“量子时钟也好，量子计算也好，它们的本质是一样的。”

维斯称，在目前的技术条件下，他的3D阵列有望达到1728个量子比特，排成12行和12列。但是，在他的团队和其他研究人员开发出更强大的纠错方法前，这么多的量子比特用处非常有限。

至于萨夫曼和ColdQuanta提到的2D阵列和3D阵列究竟哪个更可行，这个问题还有待商榷。目前，“我认为这些问题都是可以解决的，”安德森说，“这在很大程度上是一个工程问题。”