日本國(guó)立自然科學(xué)研究院分子科學(xué)研究所（IMS）的科學(xué)家使用光鑷來(lái)捕獲兩個(gè)冷卻到幾乎絕對(duì)零且僅相隔一微米的原子，然后用僅發(fā)光10皮秒（1皮秒為萬(wàn)億分之一秒）的特殊激光束操縱原子，成功執(zhí)行了世界上最快的雙量子位門(mén)，其運(yùn)行時(shí)間僅為6.5納秒（1納秒為十億分之一秒）。8日發(fā)表在《自然·光子學(xué)》在線版上的該成果，有望催生全新的量子計(jì)算機(jī)硬件，突破目前正在開(kāi)發(fā)的超導(dǎo)和離子阱量子計(jì)算機(jī)的限制。

冷原子平臺(tái)已成為量子計(jì)算機(jī)硬件最有希望的候選裝置之一。與超導(dǎo)和離子阱類型相比，它可很容易地?cái)U(kuò)大到更大的規(guī)模，同時(shí)保持高相干性，這使其具有革命性的潛力，并作為下一代量子計(jì)算機(jī)硬件吸引了各界的關(guān)注。

量子門(mén)是構(gòu)成量子計(jì)算的基本算術(shù)元素，包括單量子位門(mén)和雙量子位門(mén)。這次成功實(shí)現(xiàn)的是最重要的雙量子位門(mén)之一，稱為“受控Z門(mén)”。量子門(mén)的精度（保真度）很容易受到來(lái)自外部環(huán)境和工作激光器噪聲的影響，這使得量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展變得困難。由于噪聲的時(shí)間尺度一般慢于1微秒，如果能夠?qū)崿F(xiàn)比這快的量子門(mén)，就可以避免因噪聲而導(dǎo)致計(jì)算精度下降，將更接近于實(shí)現(xiàn)一臺(tái)實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)。

在過(guò)去的20年里，所有的量子計(jì)算機(jī)硬件都在追求更快的門(mén)。這次使用冷原子硬件實(shí)現(xiàn)的6.5納秒超快門(mén)比噪聲快兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上，因此可忽略噪聲的影響。而之前的世界紀(jì)錄是15納秒。

新實(shí)驗(yàn)使用銣原子進(jìn)行。首先，研究人員使用激光束將已冷卻至約超低溫氣相中的兩個(gè)銣原子用光鑷以微米間隔排列；然后用超短激光脈沖照射它們，使困在最小軌道中的兩個(gè)電子被撞入巨大的里德堡軌道；然后，這些原子之間的相互作用導(dǎo)致軌道形狀和電子能量的周期性來(lái)回交換，周期為6.5納秒，通過(guò)這樣的振蕩實(shí)現(xiàn)了雙量子位門(mén)。

利用這種現(xiàn)象，研究人員使用量子位進(jìn)行了量子門(mén)操作，從而證明一個(gè)雙量子位門(mén)可在6.5納秒內(nèi)運(yùn)行，這是目前世界上最快的。

（記者張夢(mèng)然）