里德堡离子阱研究新成果新型量子计算机近在咫尺学术资讯

▲研究人员利用激光将一个锶离子激发到里德堡激发态，然后用它来演示一个量子比特的里德堡门，而这是构想中的里德堡离子阱量子计算机的基本要素之一。

日前，物理学家已经成功构建了单量子比特的里德堡门，而这一技术是打造里德堡离子阱量子计算机的基本要素之一。这一成就说明了制造新型量子计算机的可行性，并有望克服当前量子计算方法面临的量子数量增加时遇到的难题。该研究发表在最新一期的《物理评论快报》上，作者是物理学家杰拉德·希金斯（Gerard Higgins）、马库斯·亨里奇（Markus Hennrich）以及瑞典斯德哥尔摩大学、奥地利因斯布鲁克大学的研究人员。

目前，量子计算机面临的最大挑战之一是如何按比例增加每个逻辑门中的纠缠量子比特数量，这对于进行实际的量子计算至关重要。在某种程度上，增加数量如此困难的部分原因是，离子阱系统中常用的多比特量子门随着量子比特数量的增加会产生频谱拥挤的问题。然而，里德堡离子阱系统能有效避免频谱拥挤的干扰，这就意味着如果用里德堡离子阱量子比特来制造量子计算机，就可能为量子计算机在量子数量增加时遇到的瓶颈问题提供了新的解决路径。

在目前的研究中，研究人员建造了第一个单量子比特的里德堡门，他们预计能够将单量子位的版本升级成一个双量子比特的里德堡门，并在将来增加更多的量子数量。

为了构建单量子比特的里德堡门，物理学家们首次需要证明一个连续的里德堡离子激发态。这是一个分两步走的过程，先把一个锶离子限制在一个阱里，再利用激光把低量子比特状态激发提升到第一个激发态，然后再将这个状态激发为更高能量状态的里德堡激发态。里德堡激发态被认为是物质的异常态，因为此时离子（最外层）的价电子被激发到高能的电子轨道上，离原子核远得几乎不受离子的束缚了。

该项研究最关键的成就是，里德堡激发态是以一种连贯的方式实现的，这对于构建多量子位里德堡门是非常必要的。通过将连续的里德堡激发态与量子比特的操纵方法相结合，研究人员可以实现单量子里德堡门。

“这项研究表明，里德堡离子可以被连贯地控制，所以那些利用中性里德堡原子探索到的有趣现象，也可以在该系统中进行探索，另外，捕获离子的系统与捕获原子系统相比，对该系统精密的控制还可能赋予研究人员额外的优势。”希金斯对物理学网说。

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编译：朱明逸编辑：程建兰张梦

来源：https://phys.org