使用巨型原子离子加速量子计算

一个国际研究人员团队发现了一种加速量子计算的新方法，可以为计算机处理能力的巨大飞跃铺平道路。

诺丁汉大学和斯德哥尔摩大学的科学家已经使用一种新的实验方法加快了被困离子量子计算的速度。他们的结果刚刚发表在《自然》上。

在传统的数字计算机中，逻辑门由作为基于硅的电子设备的操作位组成。信息以位的两个经典状态(“ 0”和“ 1”)编码。这意味着经典计算机的容量会随着位数的增加而线性增加。为了应对新兴的科学和工业问题，人们建造了大型计算设备或超级计算机。

量子纠缠增强能力

使用量子门操作量子计算机，即对由微观量子粒子(例如原子和分子)制成的量子位(qubit)的基本电路操作。量子计算机中一种根本上新的机制是利用量子纠缠，量子纠缠可以将两个或一组量子位绑定在一起，从而经典物理学不再描述它们的状态。量子计算机的容量随量子位的数量呈指数增长。量子纠缠的有效使用极大地增强了量子计算机的能力，使其能够处理包括密码学，材料和医学在内的领域中的难题。

在可用于制造量子计算机的不同物理系统中，俘获离子引领了该领域多年。大规模捕获离子量子计算机的主要障碍是随着系统规模的扩大，计算操作的速度降低。这项新的研究可能已经找到了解决这个问题的方法。

实验工作是由马库斯·亨里希(Markus Hennrich)在SU小组使用巨型里德堡离子进行的，比正常原子或离子大100倍。这些巨大的离子具有高度的交互性，并在不到一微秒的时间内交换量子信息。它们之间的相互作用产生了量子纠缠。斯德哥尔摩大学的Chi Zhang及其同事使用纠缠相互作用进行了量子计算操作(纠缠门)，其速度比捕获离子系统中的典型速度快约100倍。

张驰解释说：“通常，在更大的系统中，量子门会变慢。通常我们的量子门和里德伯格离子门都不是这种情况!我们的门可能会使量子计算机放大到真正有用的尺寸!”

支持实验和研究误差源的理论计算已经由Weibin Li(英国诺丁汉大学)和Igor Lesanovsky(英国诺丁汉大学以及德国图宾根大学)进行。他们的理论工作证实，一旦离子晶体变大，确实不会出现减速的趋势，这凸显了可扩展量子计算机的前景。

诺丁汉大学物理与天文学学院助理教授李卫斌补充说：“我们的理论分析表明，被困的里德伯格离子量子计算机不仅速度快，而且具有可扩展性，使得大规模量子计算成为可能，而无需担心环境联合的理论和实验工作表明，基于俘获的里德堡离子的量子计算为实现快速量子门开辟了一条新途径，同时可能克服其他系统中发现的许多障碍。”

目前，该团队正在努力纠缠大量离子，并实现更快的量子计算操作。