近日，美國威斯康星大學(xué)麥迪遜分校宣布與兩家量子公司合作，首次在中性原子（核外電子等于核內(nèi)質(zhì)子數(shù)的原子）量子計算機上運行量子算法，將推動量子計算的實際應(yīng)用。該團隊是世界上第一個在可編程門模型(Gate model)冷中性原子量子計算機上，演示量子算法的團隊。其中包括美國冷原子量子技術(shù)公司ColdQuanta和英國量子計算軟件開發(fā)商Riverlane。
實用量子計算機可以解決傳統(tǒng)計算機無法解決的特定復(fù)雜問題，將有助實現(xiàn)多種應(yīng)用，例如物流、藥物發(fā)現(xiàn)和量子過程的計算建模。其中，門模型量子計算機如果能以長相干時間和高保真邏輯實現(xiàn)大規(guī)模運行，將有望解決這些問題。
冷原子超精細(xì)量子位由于其相同的特性、較長的相干時間，以及可以被困于密集多維陣列中的能力，因此具有可延展性，有利于實現(xiàn)門模型量子計算機的規(guī)?；?。
此次，由威斯康星大學(xué)麥迪遜分校物理學(xué)教授Mark Saffman領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，將6個具有長壽命的中性原子糾纏在一起，實現(xiàn)了多達(dá)6個量子位的Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ)糾纏態(tài)的制備。GHZ態(tài)是由三位物理學(xué)家Daniel Greenberger、Michael Horne、Anton Zeilinger于1989年提出的一種多量子糾纏態(tài)，是現(xiàn)今運用在多方量子保密通信中的一種常用糾纏態(tài)。相關(guān)成果近日發(fā)表在《自然》(Nature)。Mark Saffman還擔(dān)任威斯康星量子研究所(Wisconsin quantum Institute)主任、ColdQuanta公司的量子信息首席科學(xué)家。他表示，在目前研發(fā)實用量子計算機的競賽中，有幾種不同的方法正在開發(fā)中。“冷原子量子位是正在積極開發(fā)的五種方法之一，這篇文章首次展示了使用冷原子量子位運行量子電路和量子算法的能力。”
前述團隊證明了在冷原子量子計算機上運行量子算法是可行的。而以往的中性原子量子計算機使用的都是壽命較短的原子。“我們的方法好處之一是原子具有壽命較長的狀態(tài)。”論文主要作者Trent Graham表示，“在這些狀態(tài)下，其相干性可以保持幾毫秒，而在先前演示的狀態(tài)中，其衰減的速度要快三百至四百倍。”他們在冷原子量子計算機上成功運行了兩種量子算法。第一種是量子相位估計(QPE)算法，一種在化學(xué)領(lǐng)域中用于測量原子的分子能量的常見算法。另一種則是MaxCut（最大割問題），在物流部署和模式識別方面具有應(yīng)用。這些成果突出了冷原子量子位陣列的高度可擴展性，可用于通用、可編程的量子計算，以及量子增強傳感的非經(jīng)典狀態(tài)的制備。
合作是前述團隊成功的關(guān)鍵。威斯康星大學(xué)麥迪遜分校團隊構(gòu)想并完成了大部分工作，ColdQuanta公司工程師與威斯康星大學(xué)團隊合作設(shè)計和研發(fā)了量子計算機的關(guān)鍵子系統(tǒng)，Riverlane公司工作人員則為電路設(shè)計、優(yōu)化和模擬做出了貢獻(xiàn)。
