作者:麻省理工学院朱明华
学分:学分:桑普森·威尔科克斯/RLE
麻省理工学院的物理学家发现了一种新的量子比特，或“量子比特”，其形式是被称为费米子的振动原子对
他们发现，当成对的费米子被冷却并被束缚在光学晶格中时，粒子可以以两种状态同时存在——这是一种被称为叠加的奇怪量子现象
在这种情况下，原子拥有两种振动状态的叠加，在这两种状态下，一对原子相互摆动，同时也同步摆动
该团队能够在数百对振动的费米子中保持这种叠加状态
通过这样做，他们获得了一种新的“量子寄存器”，或称量子比特系统，这种系统在相对较长的一段时间内看起来是稳定的
这一发现发表在今天的《自然》杂志上，证明了这种不稳定的量子比特可能是未来量子计算机有希望的基础
量子位代表量子计算的基本单位
在今天的计算机中，一个经典比特从两个状态0或1中的一个开始执行一系列逻辑运算，一个量子比特可以存在于两个状态的叠加中
当处于这种微妙的中间状态时，一个量子位应该能够同时与许多其他量子位通信，并一次处理多个信息流，以快速解决经典计算机需要数年才能处理的问题
量子位有很多种类型，其中一些是工程化的，另一些是自然存在的
众所周知，大多数量子位都是善变的，要么无法维持它们的叠加，要么不愿意与其他量子位交流
相比之下，麻省理工学院团队的新量子比特似乎极其强大，即使在环境噪音中，也能保持两种振动状态的叠加长达10秒钟
该团队认为，新的振动量子比特可以短暂地相互作用，并有可能在一瞬间完成数万次操作
“我们估计这些量子比特只需要一毫秒就能相互作用，所以我们可以希望在这段相干时间内进行10，000次操作，这可能会与其他平台竞争，”托马斯A
麻省理工学院物理学教授弗兰克
“所以，制造这些量子比特计算机有具体的希望
" Zwierlein是该论文的合著者，还有第一作者Thomas Hartke、Botond Oreg和宁远佳，他们都是麻省理工学院电子研究实验室的成员
快乐的事故 这个团队的发现最初是偶然发生的
Zwierlein的小组研究原子在超冷、超低密度下的行为
当原子被冷却到星际空间百万分之一的温度，并以空气百万分之一的密度被隔离时，量子现象和新的物质状态就会出现
在这些极端条件下，Zwierlein和他的同事们正在研究费米子的行为
费米子在技术上被定义为具有奇数半整数自旋的任何粒子，如中子、质子和电子
实际上，这意味着费米子天生多刺
没有两个相同的费米子能占据相同的量子态——这一特性被称为泡利排斥原理
例如，如果一个费米子向上旋转，另一个必须向下旋转
电子是费米子的经典例子，它们的泡利互斥是原子结构和元素周期表多样性的原因，也是宇宙中所有物质稳定的原因
费米子也是具有奇数个基本粒子的任何类型的原子，因为这些原子也会自然地相互排斥
Zwierlein的团队碰巧正在研究钾-40的费米原子
他们将一团费米子冷却到100纳克尔文，并使用激光系统产生光学晶格来捕获原子
他们调整了条件，使得晶格中的每个阱捕获一对费米子
最初，他们观察到，在特定条件下，每对费米子似乎同步运动，就像单个分子一样
麻省理工学院的物理学家发现，成对的原子可以拥有两种振动状态的叠加
像两个摆动的钟摆一样，原子可以同步运动，同时又可以相互对抗，这使得它们成为量子计算的健壮量子比特
荣誉:由研究人员提供 为了进一步探索这种振动状态，他们踢了每个费米子对一脚，然后拍摄了晶格中原子的荧光图像，发现晶格中的大多数正方形偶尔会变暗，反映出束缚在分子中的对
但是当他们继续对系统成像时，原子似乎以周期性的方式重新出现，表明这对原子在两个量子振动状态之间振荡
Zwierlein说:“通常在实验物理学中，你会有一些明亮的信号，下一刻它就会下地狱，永远不会回来。”
“在这里，天黑了，但接着又亮了，重复着
这种振荡表明有一个随时间演化的相干叠加
那是一个快乐的时刻
" “一声低哼” 经过进一步的成像和计算，物理学家证实费米子对拥有两种振动状态的叠加，同时一起运动，就像两个钟摆同步摆动，也相对或相对
“它们在这两种状态之间以大约144赫兹的频率振荡，”哈特克指出
“那是你能听到的频率，像低沉的嗡嗡声
" 该团队能够调节这个频率，并通过施加和改变磁场，通过一种被称为费希巴赫共振的效应，将费米子对的振动状态控制三个数量级
“这就像从两个非相互作用的摆开始，通过施加磁场，我们在它们之间产生一个弹簧，可以改变弹簧的强度，慢慢地将摆推开，”Zwierlein说
通过这种方式，他们能够同时操纵大约400个费米子对
他们观察到，作为一个群体，在单个对坍缩成一个或另一个振动状态之前，量子比特保持叠加状态长达10秒钟
“我们表明我们完全控制了这些量子比特的状态，”兹维尔林说
为了利用振动量子比特制造一台功能性量子计算机，该团队必须找到控制单个费米子对的方法——这是物理学家已经接近解决的问题
更大的挑战将是找到一种让单个量子比特相互通信的方法
对此，兹维尔林有一些想法
“这是一个我们知道可以让两个量子位相互作用的系统，”他说
“有一些方法可以降低结对之间的障碍，让它们聚集在一起，相互作用，然后再次分裂，持续大约一毫秒
因此，有一条通向两个量子比特的门的明确路径，这是制造量子计算机所需要的
" 这项研究部分得到了美国国家科学基金会、戈登和贝蒂·摩尔基金会、万尼瓦尔·布什学院奖学金和亚历山大·冯·洪堡基金会的支持
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