10年前，量子計(jì)算還是室內(nèi)游戲。量子計(jì)算機(jī)的擁護(hù)者們可對(duì)這一科技進(jìn)行大膽的預(yù)測，因?yàn)楫?dāng)時(shí)沒有人知道如何將幾個(gè)量子比特串聯(lián)起來。

時(shí)代已經(jīng)不同了。目前，IBM已經(jīng)擁有了一臺(tái)50量子比特的機(jī)器，英特爾的是49量子比特，而谷歌已經(jīng)開發(fā)出了72量子比特的設(shè)備。賓夕法尼亞州立大學(xué)的研究者們宣布，他們已經(jīng)為125量子比特的計(jì)算引擎造出了框架。

但是與IBM、英特爾和谷歌的成熟設(shè)備不同，賓夕法尼亞州立大學(xué)系統(tǒng)概念驗(yàn)證系統(tǒng)的基礎(chǔ)元件不是計(jì)算機(jī)芯片，而是原子時(shí)鐘。

賓夕法尼亞州立大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)以及世界各地的研究者們提出了中性原子量子計(jì)算機(jī)（neutral-atom quantum computer）的概念，它使用激光阱中的銫原子（精確計(jì)時(shí)的黃金標(biāo)準(zhǔn)）作為計(jì)算機(jī)引擎的量子比特基礎(chǔ)?！霸邮俏覀冏盍私獾牧孔恿W(xué)系統(tǒng)?！辟e夕法尼亞州立大學(xué)的物理教授大衛(wèi)?維斯（David Weiss）說道。這位教授的團(tuán)隊(duì)在《自然》上發(fā)表了一篇論文，宣稱他們已經(jīng)成功使用激光在一個(gè)立方體中實(shí)現(xiàn)了125銫原子的懸停和冷卻，每兩個(gè)鄰近的銫原子之間的距離為5微米。（量子比特可以加載、冷卻以及屏蔽干擾。但該團(tuán)隊(duì)尚未開發(fā)出必要的邏輯門和糾錯(cuò)方法使量子比特運(yùn)行）。

原子時(shí)鐘的計(jì)時(shí)基礎(chǔ)是這些經(jīng)過充分研究的超冷穩(wěn)定原子的特性。它被稱為超精細(xì)分裂，涉及每個(gè)原子最外層電子的自旋（今天，人們普遍將原子秒定義為銫在超精細(xì)分裂過程中產(chǎn)生9192631770個(gè)輻射周期的時(shí)間）。

量子計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)理念與原子時(shí)鐘的銫量子態(tài)一致。作為量子計(jì)算機(jī)的一部分，銫原子依賴于一種量子特性，而這種特性并沒有運(yùn)用到原子時(shí)鐘上。和所有的量子比特一樣，銫原子量子計(jì)算機(jī)中的量子比特可以占用一個(gè)超精細(xì)狀態(tài)（稱之為0）或占用一個(gè)稍高的能態(tài)（稱之為1），或者在量子計(jì)算的核心處于一個(gè)既有一個(gè)比特0又有一個(gè)比特1的中間狀態(tài)——稱為量子疊加。

要想使用原子陣列實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)，原子必須糾纏。對(duì)此，維斯解釋道，在125量子比特的3D陣列內(nèi)，激光將單個(gè)的原子激發(fā)進(jìn)入高度活躍的電子態(tài)，然后再將其冷卻。他說道，整個(gè)系統(tǒng)十分敏感，以至于目標(biāo)原子附近的銫原子能感知到它的活躍以及冷卻，足以使陣列中的部分原子發(fā)生糾纏。

威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的物理教授馬克?薩夫曼（Mark Saffman）說，他的團(tuán)隊(duì)能夠?qū)⒉东@的銫原子2D陣列中的量子態(tài)維持10秒甚至更久（薩夫曼還提到，這一數(shù)據(jù)來自維斯的研究團(tuán)隊(duì)）。相比之下，一個(gè)典型的操作（比如，將兩組量子比特相乘）花費(fèi)的時(shí)間只有1微秒或者更短。薩夫曼說，這種潛力是系統(tǒng)固有的，可在量子態(tài)因?yàn)樵肼暥罎⒅斑M(jìn)行很多操作?！笆褂眉す馐鴮⒃恿孔颖忍丶ぐl(fā)至高激狀態(tài)，我們可任意啟動(dòng)非常強(qiáng)烈的交互作用?！?/p>

馬里蘭大學(xué)的物理教授威廉?菲利普斯（William Phillips）曾在1997年因在激光原子陷阱方面的杰出貢獻(xiàn)而榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，他說，中性原子量子計(jì)算的另一個(gè)挑戰(zhàn)是做出權(quán)衡和取舍。

“沒有了遠(yuǎn)程強(qiáng)勁的庫倫相互作用，我們可輕松地將許多原子放入一個(gè)小容積中。但是同時(shí)也意味著更難操控原子，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)快速量子門?！狈评账拐f。

科羅拉多州博爾德市ColdQuanta公司的首席執(zhí)行官達(dá)納?安德森（Dana Anderson）說，既然單個(gè)原子能夠被有效地穩(wěn)定并冷卻到100毫微開爾文以下，這說明大部分的基礎(chǔ)科學(xué)已經(jīng)準(zhǔn)備就緒。他還說道，ColdQuanta正在努力實(shí)現(xiàn)薩夫曼和維斯的構(gòu)想——將中性原子作為量子計(jì)算機(jī)或模擬器的基礎(chǔ)。

“一旦將原子的溫度降到這么低，我們就可以預(yù)見一大批量子科技的誕生，”安德森說道，“量子時(shí)鐘也好，量子計(jì)算也好，它們的本質(zhì)是一樣的?！?/p>

維斯稱，在目前的技術(shù)條件下，他的3D陣列有望達(dá)到1728個(gè)量子比特，排成12行和12列。但是，在他的團(tuán)隊(duì)和其他研究人員開發(fā)出更強(qiáng)大的糾錯(cuò)方法前，這么多的量子比特用處非常有限。

至于薩夫曼和ColdQuanta提到的2D陣列和3D陣列究竟哪個(gè)更可行，這個(gè)問題還有待商榷。目前，“我認(rèn)為這些問題都是可以解決的，”安德森說，“這在很大程度上是一個(gè)工程問題?！?/p>