MIT物理学家发现，振动的原子可产生强大的量子位

诸平

Fig. 1 Credits:Credit: Sampson Wilcox/RLE

Fig. 2 MIT physicists find that pairs of atoms can hold a superposition of two vibrational states. Like two swinging pendula, the atoms can move in sync, and against each other, at the same time, making them robust qubits for quantum computing. Credit: Courtesy of the researchers 

据麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology简称MIT）2022年1月26日提供的消息, MIT的物理学家们发现了一个新的量子比特(quantum bit)，或“量子位(qubit)”，以被称为费米子(fermions)的振动原子对的形式存在。他们发现，当一对费米子被冷却并困在一个光学晶格中时，这些粒子可以同时以两种状态存在——这是一种被称为叠加(superposition)的奇怪量子现象。在这种情况下，原子处于两种振动态的叠加状态，在这种状态下，这对原子相互摆动，同时也同步摆动。详见Vibrating atoms make robust qubits, physicists find。

该团队能够在数百对振动的费米子之间维持这种叠加状态。在这样做的过程中，他们实现了一个新的“量子寄存器（quantum register）”，或量子位系统，在相对较长的时间内似乎是稳健的。相关研究结果于2022年1月26日已经在《自然》(Nature)杂志网站发表——Thomas Hartke, Botond Oreg, Ningyuan Jia, Martin Zwierlein. Quantum register of fermion pairs. Nature, 2022, Volume 601, pages 537–541. DOI: 10.1038/s41586-021-04205-8. Published: 26 January 2022. https://www.nature.com/articles/s41586-021-04205-8. 此发现表明，这种不稳定的量子位元可能是未来量子计算机的一个有前途的基础。

一个量子位代表量子计算的基本单位。在当今计算机中，一个经典的比特可以从两个状态之一(0或1)开始执行一系列的逻辑运算，而量子位可以以两种状态的叠加形式存在。在这种微妙的中间状态下，一个量子位应该能够同时与许多其他量子位通信，同时处理多个信息流，从而快速解决传统计算机需要数年才能处理的问题。

量子位有很多种，其中一些是工程设计的，另一些是自然存在的。大多数量子位是出了名的变化无常，要么无法保持它们的叠加，要么不愿意与其他量子位通信。

相比之下，MIT团队的新量子比特似乎非常稳健，即使在环境噪声中，也能保持两种振动状态之间的叠加，长达10秒。该团队认为，这种新的振动量子位可以进行短暂的相互作用，并有可能在眨眼之间进行数万次操作。

MIT托马斯·弗兰克物理学教授（Thomas A. Frank Professor of Physics at MIT）马丁·茨维尔莱因(Martin Zwierlein)说:“我们估计，这些量子比特之间的相互作用只需要一毫秒，所以我们可以希望在这段相干时间内进行10000次操作，这可以与其他平台竞争。因此，让这些量子位进行计算是有具体希望的。”

马丁·茨维尔莱因是这篇论文的共同通讯作者之一，其他三位合著者他们都是麻省理工学院电子学研究实验室（MIT's Research Laboratory of Electronics）的成员。

快乐的事故（Happy accidents）

这个小组最初的发现纯属偶然。马丁·茨维尔莱因的小组研究原子在超冷、超低密度下的行为。当原子被冷却到星际空间的百万分之一的温度，并以空气的百万分之一的密度被隔离时，量子现象和物质的新状态就会出现。

在这种极端条件下，马丁·茨维尔莱因和他的同事们正在研究费米子的行为。费米子在技术上被定义为任何自旋为奇数半整数的粒子，比如中子、质子和电子。实际上，这意味着费米子本质上是多刺的。没有两个完全相同的费米子能够占据相同的量子态——这一特性被称为泡利不相容原理（Pauli exclusion principle）。例如，如果一个费米子自旋向上，另一个必定自旋向下。

电子是费米子的经典例子，它们的相互泡利不相容导致了原子的结构和元素周期表的多样性，以及宇宙中所有物质的稳定性。费米子也是任何一种具有奇数个基本粒子的原子，因为这些原子也会自然地互相排斥。

马丁·茨维尔莱因的团队碰巧在研究钾-40（⁴⁰K）的费米原子。他们将费米子云冷却到100纳开尔文（100 nK），并使用一种激光系统生成一个光学晶格来捕获原子。他们调整了条件，使得晶格中的每一个阱都捕获了一对费米子。最初，他们观察到，在特定条件下，每一对费米子似乎同步运动，就像单个分子一样。详细情况可以参看MIT网站提供的相关视频（见上图2所示Fig. 2）。MIT的物理学家发现，一对原子可以保持两种振动态的叠加。就像两个摆动的钟摆一样，原子可以同步移动，同时相互对抗，使它们成为量子计算的强大量子位。

为了进一步探测这种振动状态，他们对每个费米子对进行了激发，然后对晶格中的原子进行了荧光成像，并发现晶格中的大多数正方形经常会变暗，反射出结合在分子中的对。但当他们继续对系统进行成像时，原子似乎以周期性的方式重新出现，表明这对原子在两个量子振动态之间振荡。

马丁·茨维尔莱因说:“通常在实验物理中，你有一些明亮的信号，但下一刻它就会消失，再也不会出现。在这里，它变暗了，但接着又亮了，而且反复出现。这种振荡表明，随着时间的推移，存在一种相干叠加。那是一个快乐的时刻。”

“低沉的嗡嗡声(A low hum)”

在进一步的成像和计算之后，物理学家们证实了费米子对保持着两种振动态的叠加状态，同时在一起运动，就像两个钟摆同步摆动，也相互相对运动或对抗运动。

上述论文的第一作者，也是共同通讯作者托马斯·哈特克（Thomas Hartke）指出:“它们以144赫兹左右的频率在这两种状态之间振荡。你可以听到这种频率，就像低沉的嗡嗡声。”

该团队能够调节这个频率，并通过施加和改变磁场，通过一种被称为费什巴赫共振(Feshbach resonance)的效应，将费米子对的振动状态控制三个数量级。

马丁·茨维尔莱因说:“这就像从两个没有相互作用的钟摆开始，通过施加磁场，我们在它们之间创建一个弹簧，可以改变弹簧的强度，慢慢地将钟摆分开。”

通过这种方式，他们能够同时操纵大约400个费米子对。他们观察到，作为一个群体，在单个对坍缩成一种或另一种振动状态之前,量子位保持叠加状态长达10秒。

马丁·茨维尔莱因说:“我们证明了我们可以完全控制这些量子位的状态。”

要用振动的量子位来制造一个功能量子计算机，该研究小组还必须找到控制单个费米子对的方法——这是一个物理学家已经接近解决的问题。更大的挑战将是找到一种让单个量子位相互通信的方法。对于这一点，马丁·茨维尔莱因有一些想法。他说：“在这个系统中，我们知道我们可以让两个量子位相互作用。有办法降低成对之间的障碍，这样它们就会走到一起，相互作用，然后再次分开，持续大约1毫秒。因此，有一条通往双量子位门（two-qubit gate）的明确道路，这是制造量子计算机所需要的。”

这项研究得到了美国国家科学基金会（National Science Foundation）、戈登和贝蒂·摩尔基金会（Gordon and Betty Moore Foundation）、万尼瓦尔·布什教员奖学金（Vannevar Bush Faculty Fellowship）和亚历山大·冯·洪堡基金会（Alexander von Humboldt Foundation）的部分支持。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Making quantum computers even more powerful

Abstract

Quantum control of motion is central for modern atomic clocks¹ and interferometers². It enables protocols to process and distribute quantum information^3,4, and allows the probing of entanglement in correlated states of matter⁵. However, the motional coherence of individual particles can be fragile to maintain, as external degrees of freedom couple strongly to the environment. Systems in nature with robust motional coherence instead often involve pairs of particles, from the electrons in helium, to atom pairs⁶, molecules⁷ and Cooper pairs. Here we demonstrate long-lived motional coherence and entanglement of pairs of fermionic atoms in an optical lattice array. The common and relative motion of each pair realize a robust qubit, protected by exchange symmetry. The energy difference between the two motional states is set by the atomic recoil energy, is dependent on only the mass and the lattice wavelength, and is insensitive to the noise of the confining potential. We observe quantum coherence beyond ten seconds. Modulation of the interactions between the atoms provides universal control of the motional qubit. The methods presented here will enable coherently programmable quantum simulators of many-fermion systems⁸, precision metrology based on atom pairs and molecules^9,10 and, by implementing further advances^11,12,13, digital quantum computation using fermion pairs¹⁴.