美國的研究人員開發(fā)了一種新技術(shù)，可以將光學(xué)鑷子和超材料這兩種強(qiáng)大技術(shù)合并到一個平臺上，從而使量子計(jì)算機(jī)的規(guī)模超過100,000個量子比特。

這個團(tuán)隊(duì)由哥倫比亞大學(xué)的物理學(xué)副教授塞巴斯蒂安·威爾博士和南方宇博士帶領(lǐng)，結(jié)合了這兩種技術(shù)，大大擴(kuò)展了所謂的中性原子陣列。

中性原子陣列利用被稱為光學(xué)鑷子的緊聚焦激光束，將原子固定在1D、2D或3D的配置中。它們是構(gòu)建先進(jìn)量子計(jì)算機(jī)最有前景的平臺之一，因?yàn)槊總€原子都可以作為一個量子比特。

“我們正在打下基礎(chǔ)，讓量子計(jì)算機(jī)能擁有超過100,000個量子比特，”威爾解釋道。該團(tuán)隊(duì)成功捕獲了1,000個鍶原子，確認(rèn)這種方法在遠(yuǎn)超現(xiàn)有系統(tǒng)的規(guī)模下是可行的。

全新的量子方法

因?yàn)槊總€原子本質(zhì)上都是一樣的，所以不需要進(jìn)行復(fù)雜的校準(zhǔn)或同步，但隨著制造的量子比特?cái)?shù)量增加，這個過程會變得越來越困難。

不過，盡管科學(xué)家們已經(jīng)捕獲原子十年，至今最大的限制還是在于如何大規(guī)模控制它們。同時，現(xiàn)在的光學(xué)鑷子依賴于一些笨重且昂貴的部件，比如空間光調(diào)制器或聲光偏轉(zhuǎn)器，這就限制了陣列的規(guī)模。

加州理工學(xué)院最近通過這些方法成功捕獲了6100個原子?！八麄兊膱?bào)告真是個了不起的成就，”威爾補(bǔ)充道。不過，這一成就距離實(shí)現(xiàn)實(shí)際的量子優(yōu)勢仍有很大差距。

“通過我們的超表面技術(shù) 鑷子陣列 方法，我們希望進(jìn)一步擴(kuò)展中性原子陣列，甚至可能超過100,000個原子，”威爾教授透露。在這項(xiàng)研究中，團(tuán)隊(duì)用超表面替代了這些系統(tǒng)，超表面是由數(shù)百萬個納米級“像素”制成的平坦、超薄光學(xué)設(shè)備。

團(tuán)隊(duì)表示，當(dāng)一束激光通過超表面時，像素會將光同時塑造成成千上萬（或數(shù)十萬）個緊密聚焦的激光點(diǎn)。

“在這項(xiàng)工作中使用的超表面可以被視為在同一平面上疊加的數(shù)萬個平面透鏡，并且它們的焦點(diǎn)位置不同，”余教授說?！爱?dāng)激光束入射時，一個超表面可以同時產(chǎn)生數(shù)萬個焦點(diǎn)位置?！?/p>

重大的突破

這種由氮化硅和二氧化鈦制成的超表面，能夠承受超過每平方毫米2000瓦（W/mm2）的強(qiáng)激光。這大約是陽光到達(dá)地球時強(qiáng)度的百萬倍強(qiáng)。

物理學(xué)家通過將原子捕獲到多個高度均勻的二維陣列中，展示了超表面光鑷平臺的多種功能。

這些模式包括一個1024個點(diǎn)的方格晶格、準(zhǔn)晶體和自由女神像模式，有數(shù)百個點(diǎn)，以及一個原子間距約為1.5微米的圓。

他們還創(chuàng)建了一個寬度為3.5毫米的超表面，包含超過1億個像素，能夠生成一個600x600的陣列，總共可生成360,000個光鑷。這比現(xiàn)有技術(shù)提升了兩個數(shù)量級。

研究人員表示，中性原子陣列具有實(shí)際可擴(kuò)展性，潛在好處不僅限于量子計(jì)算機(jī)，還包括量子模擬器和便攜式光學(xué)原子鐘等技術(shù)。