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)有望通過求解傳統(tǒng)機(jī)器遠(yuǎn)無法應(yīng)對(duì)的問題，在藥物研發(fā)和加密等領(lǐng)域帶來革命性突破。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)出的波可以穿過環(huán)境，再返回來影響原子的另一個(gè)連接點(diǎn)——這有些類似于在自己話還沒說完時(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。"安東·弗里斯克·科庫姆表示，"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，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)和控制來自多個(gè)量子比特的量子信息，無需復(fù)雜的外圍電路支持。

Q2：退相干問題為什么會(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)。