使用巨型原子加速量子计算–比正常原子大1亿倍

《自然》杂志上的一项新研究表明，被困的里德伯格离子可能是将量子计算机扩展到实际可用尺寸的下一步。

可以使用不同的物理系统来制造量子计算机。形成晶体的被困离子在研究领域处于领先地位，但是当系统按比例放大到大型离子晶体时，此方法将变得非常缓慢。在存储的量子信息衰减之前，不能足够快地执行复杂的算术运算。

斯德哥尔摩大学的一个研究小组可能通过使用巨型里德堡离子解决了这个问题，该离子比正常原子或离子大1亿倍。这些巨大的离子具有高度的相互作用，因此可以在不到一微秒的时间内交换量子信息。

照片：中心带有锶离子的离子阱（蓝色斑点）。

斯德哥尔摩大学物理系Markus Hennrich解释说：“从某种意义上说，里德堡离子形成了交换量子信息的小天线，从而使实现特别快速的量子门成为可能，而量子门是量子计算机的'基本组成部分'。”以及斯德哥尔摩大学团队的组长。Rydberg离子之间的相互作用不是基于晶体的振动，就像离子以晶体形式被捕获一样，而是基于光子的交换。Rydberg离子之间的快速相互作用可用于产生量子纠缠。

• 捕获离子（偶氮）：捕获离子和Rydberg原子量子技术的对偶性。捕获的里德伯格离子在一项技术中结合了两种截然不同的量子处理器的关键强度，即捕获离子（上方）和里德堡原子（下方）。这项技术具有加速被困离子量子计算机的潜力。

斯德哥尔摩大学物理系研究员张Chi解释说：“我们利用这种相互作用进行了量子计算操作（纠缠门），其速度比俘获离子系统中的典型速度快约100倍。”

英国诺丁汉大学和德国蒂宾根大学的Igor Lesanovsky和Li Weibin Li进行了支持该实验的理论计算。

图宾根大学的Igor Lesanovsky表示：“我们的理论工作证实，一旦离子晶体变大，确实不会出现速度下降的趋势，这凸显了可扩展量子计算机的前景。”

量子计算机被认为是21世纪的关键技术之一。常规计算机根据古典物理学定律运行，而量子计算机则根据量子力学规则进行工作。纠缠量子的交换信息而没有时间延迟的能力使它们变得非常快速和强大。将来，量子计算机可用于需要解决复杂计算的任何地方，例如在新药物的设计或人工智能中。

参考：张Chi，Fabian Pokorny，Li Weibin Li，Gerard Higgins，AndreasPöschl，Igor Lesanovsky和Markus Hennrich的“通过Rydberg相互作用捕获离子之间的亚微秒纠缠门”，Nature.DOI：2020年4月15日，DOI：
10.1038 / s41586-020-2152-9

Markus Hennrich是斯德哥尔摩大学物理系的副教授。