瑞典查爾姆斯理工大學(xué)的研究人員提出了一種基于"巨型超級(jí)原子"概念的量子系統(tǒng)全新理論設(shè)計(jì)。這一概念為保護(hù)、控制和傳遞量子信息提供了新思路，有望推動(dòng)科學(xué)家向構(gòu)建大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)邁出重要一步。

量子計(jì)算機(jī)有望通過(guò)求解傳統(tǒng)機(jī)器遠(yuǎn)無(wú)法應(yīng)對(duì)的問(wèn)題，在藥物研發(fā)和加密等領(lǐng)域帶來(lái)革命性突破。然而，一個(gè)名為"退相干"的重大挑戰(zhàn)始終制約著相關(guān)進(jìn)展。退相干是指量子比特（qubit）因與外部環(huán)境發(fā)生相互作用而丟失信息的現(xiàn)象。即便是微弱的電磁噪聲，也足以破壞計(jì)算所需的脆弱量子態(tài)。

"量子系統(tǒng)擁有超強(qiáng)的計(jì)算能力，但也極為脆弱。讓它真正發(fā)揮作用的關(guān)鍵，在于學(xué)會(huì)如何控制其與外部環(huán)境之間的相互作用。"查爾姆斯理工大學(xué)應(yīng)用量子技術(shù)方向博士后研究員杜磊表示。

杜磊是這篇闡述新型量子系統(tǒng)的研究論文的第一作者。該設(shè)計(jì)以巨型超級(jí)原子為核心，將多個(gè)關(guān)鍵特性融為一體：這類系統(tǒng)既能減少退相干現(xiàn)象、保持穩(wěn)定性，又由多個(gè)相互連接的"原子"組成，協(xié)同作為一個(gè)整體單元運(yùn)作。

什么是巨型超級(jí)原子

巨型超級(jí)原子將量子物理學(xué)中兩個(gè)此前相互獨(dú)立的概念——巨型原子與超級(jí)原子——融合在一起。盡管兩者各自已有深入研究，但此次將二者整合進(jìn)同一系統(tǒng)，尚屬首次。這類結(jié)構(gòu)的行為類似于原子，卻并非自然界中天然存在的原子，而是由科學(xué)家人工構(gòu)建而成。

巨型原子與它的"量子回聲"

巨型原子的概念由查爾姆斯理工大學(xué)的研究人員在十多年前首次提出，如今已在該領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。巨型原子通常被設(shè)計(jì)為一個(gè)量子比特（即量子信息的最小單元）。與普通原子不同，它在多個(gè)物理上相互分離的位置與光波或聲波相連接，從而能夠在多個(gè)地點(diǎn)同時(shí)與環(huán)境發(fā)生相互作用，有助于保存量子信息。

"從一個(gè)連接點(diǎn)發(fā)出的波可以穿過(guò)環(huán)境，再返回來(lái)影響原子的另一個(gè)連接點(diǎn)——這有些類似于在自己話還沒(méi)說(shuō)完時(shí)就聽到了自己聲音的回聲。這種自相互作用會(huì)產(chǎn)生極為有益的量子效應(yīng)，有效減少退相干現(xiàn)象，并使系統(tǒng)對(duì)過(guò)去的相互作用保有某種'記憶'。"查爾姆斯理工大學(xué)應(yīng)用量子物理副教授、論文共同作者安東·弗里斯克·科庫(kù)姆解釋道。

跨距離延展量子糾纏

盡管巨型原子加深了人們對(duì)量子行為的理解，但在實(shí)現(xiàn)量子糾纏方面仍存在局限。量子糾纏使多個(gè)量子比特能夠共享同一量子態(tài)、協(xié)同運(yùn)作，這對(duì)于強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)而言至關(guān)重要。

為突破這一局限，研究團(tuán)隊(duì)將巨型原子與超級(jí)原子的概念相結(jié)合。超級(jí)原子由多個(gè)天然原子構(gòu)成，這些原子共享同一量子態(tài)，整體上表現(xiàn)得像一個(gè)更大的原子。

這種結(jié)合預(yù)計(jì)將有助于更便捷地創(chuàng)建量子通信、量子網(wǎng)絡(luò)和高靈敏度測(cè)量系統(tǒng)所需的復(fù)雜量子態(tài)。

"巨型超級(jí)原子可以被理解為多個(gè)巨型原子協(xié)同運(yùn)作的單一整體，展現(xiàn)出光與物質(zhì)之間的非局域相互作用。這使得來(lái)自多個(gè)量子比特的量子信息能夠在一個(gè)單元中存儲(chǔ)和控制，而無(wú)需日益復(fù)雜的外圍電路。"杜磊解釋道。

"巨型超級(jí)原子為我們開啟了全新的能力空間，提供了一套強(qiáng)大的新工具箱。它們讓我們能夠以此前極為困難甚至完全不可能的方式來(lái)控制量子信息、創(chuàng)建量子糾纏。"查爾姆斯理工大學(xué)應(yīng)用量子物理教授、論文共同作者亞寧·斯普萊特施托瑟說(shuō)道。

邁向可擴(kuò)展的實(shí)用量子系統(tǒng)

這項(xiàng)研究為構(gòu)建既可擴(kuò)展又可靠的量子系統(tǒng)開辟了新的可能性。研究人員計(jì)劃從理論層面向?qū)嶋H構(gòu)建這類系統(tǒng)推進(jìn)。該設(shè)計(jì)還可與其他量子技術(shù)集成，作為連接不同類型量子平臺(tái)的基礎(chǔ)構(gòu)建模塊。

"目前，業(yè)界對(duì)混合方案有著濃厚的興趣，即讓不同的量子系統(tǒng)協(xié)同工作，因?yàn)楦飨到y(tǒng)各有所長(zhǎng)。"安東·弗里斯克·科庫(kù)姆表示，"我們的研究表明，巧妙的設(shè)計(jì)可以降低對(duì)日益復(fù)雜硬件的依賴，而巨型超級(jí)原子正推動(dòng)我們離真正實(shí)用的量子技術(shù)更近一步。"

控制量子信息流

關(guān)于保護(hù)、控制和分發(fā)量子信息的方法，該研究顯示，巨型超級(jí)原子與光的相互作用方式取決于其內(nèi)部量子態(tài)。這一發(fā)現(xiàn)使研究人員能夠更精準(zhǔn)地控制量子信息在系統(tǒng)中的傳輸方式。研究人員描述了兩種不同的連接方式，以實(shí)現(xiàn)各自所需的效果。

在第一種方案中，多個(gè)巨型超級(jí)原子以特定排列方式緊密相連，從而實(shí)現(xiàn)量子態(tài)在彼此之間的無(wú)退相干傳遞，確保信息不會(huì)丟失。

在第二種方案中，原子間距較大，但通過(guò)精確調(diào)諧的方式相互連接，使波保持同步，從而能夠引導(dǎo)量子信號(hào)、在長(zhǎng)距離范圍內(nèi)分發(fā)量子糾纏。

理解巨型原子與超級(jí)原子

超級(jí)原子和巨型原子均為人工構(gòu)建的量子系統(tǒng)，其行為類似于原子，而非自然界中天然存在的原子。

超級(jí)原子是由多個(gè)天然原子構(gòu)成的量子系統(tǒng)，這些原子共享同一量子態(tài)，對(duì)光的響應(yīng)表現(xiàn)為一個(gè)整體。

巨型原子則在空間中多個(gè)獨(dú)立位置與光波或聲波相連接，因其尺寸大于所交互光的波長(zhǎng)，故而得名"巨型"。

巨型原子具有明確的能級(jí)，遵循量子力學(xué)規(guī)律，但其尺寸可達(dá)毫米量級(jí)，甚至肉眼可見。通過(guò)電磁波或聲波，它們能夠同時(shí)在多個(gè)位置與外部環(huán)境相互作用?？梢詫⑵湎胂鬄橐粋€(gè)與多個(gè)遠(yuǎn)距離點(diǎn)相連的單一原子，這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使原子能夠受到其自身所產(chǎn)生的波的影響。

Q&A

Q1：巨型超級(jí)原子是什么？和普通量子比特有什么區(qū)別？

A：巨型超級(jí)原子是一種人工構(gòu)建的量子系統(tǒng)，融合了"巨型原子"和"超級(jí)原子"兩個(gè)概念。普通量子比特容易受環(huán)境干擾而丟失信息（退相干），而巨型超級(jí)原子由多個(gè)相互連接的原子協(xié)同構(gòu)成單一整體，能在多個(gè)物理位置同時(shí)與環(huán)境相互作用，從而有效減少退相干現(xiàn)象，并在一個(gè)單元內(nèi)存儲(chǔ)和控制來(lái)自多個(gè)量子比特的量子信息，無(wú)需復(fù)雜的外圍電路支持。

Q2：退相干問(wèn)題為什么會(huì)影響量子計(jì)算？

A：退相干是量子計(jì)算面臨的核心挑戰(zhàn)之一。量子比特在進(jìn)行計(jì)算時(shí)需要保持特定的量子態(tài)，但一旦與外部環(huán)境（如電磁噪聲）發(fā)生相互作用，這些脆弱的量子態(tài)就會(huì)被破壞，導(dǎo)致信息丟失，計(jì)算結(jié)果出錯(cuò)。即使是極其微弱的環(huán)境干擾也可能引發(fā)退相干，這使得構(gòu)建穩(wěn)定、可靠的量子計(jì)算機(jī)極為困難。巨型超級(jí)原子設(shè)計(jì)正是針對(duì)這一問(wèn)題提出的解決方案。

Q3：巨型超級(jí)原子研究目前處于什么階段？什么時(shí)候能實(shí)際應(yīng)用？

A：目前該研究仍處于理論設(shè)計(jì)階段，由瑞典查爾姆斯理工大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)提出。下一步，研究人員計(jì)劃從理論走向?qū)嶋H構(gòu)建這類系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)有望與其他量子技術(shù)集成，作為連接不同量子平臺(tái)的基礎(chǔ)構(gòu)建模塊。盡管距離大規(guī)模實(shí)用化仍有距離，但研究人員認(rèn)為這一設(shè)計(jì)將推動(dòng)量子技術(shù)向真正可擴(kuò)展、可靠的方向邁進(jìn)。