定一个比特是“1”还是“0” ， 组成数据序列串行处理 。 而叠加性让一个量子比特可以同时具备“1”和“0”两种状态 ， 纠缠性可以让多个比特共享状态 ， 创造出“超级叠加”的量子并行计算 ， 计算能力随比特数增加呈指数级增长 。
理论上讲 ， 量子计算机可以将传统计算机数万年才能处理的复杂问题 ， 几秒钟就解决 。 拥有300个量子比特 ， 就能支持比宇宙中所有粒子数量更多的并行计算 。
量子计算关乎未来的竞争 ， 已成为各国竞相争逐的前沿科学 。 超导、半导体作为量子计算的候选体系已经取得了一个又一个“战果” ， 为什么还要用中性原子来做？许鹏解释道 ， 中性原子与离子非常接近 ， 它也是自然界存在的粒子体系 ， 通常一个原子的直径在0.05纳米和0.5纳米之间 ， 比头发丝直径还小几千倍到几万倍 。 原子有一个非常大的优势 ， 在很小的范围内可做出很多个量子比特 。
每多一个量子比特就代表着计算能力的大幅提升 。 许鹏说：“这就像我们传统的计算机里面的处理器 ， 一开始大概集成了几百个晶体管 ， 后来到几万个、几十万个、几千万个 ， 到现在上亿个 。 每一个晶体管就相当于一个量子比特 ， 量子比特越多 ， 将来的计算潜力越大 。 ”
当然 ， 要真正转化为实际的计算能力 ， 还需要有高保真、低误差的普适量子门 。 许鹏表示 ， 现在一方面他们在向操控得足够好的方向努力；另一方面 ， 中性原子量子计算候选体系在做多量子比特上具有非常大的潜力 ， 这一点也是他们这个体系最大的优势 。 一旦把一个比特操控得很好之后 ， 再做出很多个比特 ， 就会向量子计算迈出坚实的一步 。
让能级扰动降低了一百倍
詹明生团队十年来一直在做一件事情——利用囚禁在光阱中的中性原子搭建量子计算机 。 2017年 ， 团队曾在国际上首次实现了一种量子计算所需的关键逻辑门——两个异核原子的受控非门 ， 并利用该量子门演示了最简单的两个量子比特计算 ， 即将异核原子纠缠起来 。
何晓东说：“这次的研究与‘两个异核原子的量子纠缠’不同 ， 我们要解决的是量子计算所需的另一种普适量子门 ， 即单比特量子逻辑门的操控精度问题 。 ”
在此前的实验研究中 ， 国际上众多研究组将激光成功地调制为光阱阵列用于装载中性原子并以此为基础搭建量子寄存器 。 但之前囚禁原子的激光都会对原子量子比特能级产生较大的扰动 ， 导致单量子比特逻辑门的操控精度存在较大误差 。
何晓东说 ， 通俗一点讲 ， 要达到极高的精度 ， 一方面操控手段要足够精确 ， 好比你需要一把高精度的狙击枪 ， 另一方面原子状态也必须足够稳定 ， 也就是靶子不要乱晃；这样当你对准后 ， 才能枪枪命中靶心 。 囚禁光场对原子能级的扰动问题也成为基于中性原子搭建实用型量子计算机的障碍之一 。
分析表明 ， 解决该问题的途径在于有效压制囚禁光场对原子的扰动 。 为此 ， 该研究团队研发了魔幻光强技术 ， 将囚禁原子激光引起的扰动降低了一百倍 ， 使得量子比特的相干性保存时间达到秒量级 。 紧接着 ， 他们利用该技术构造了新型的量子寄存器 ， 能够提供高品质的量子比特 ， 最终解决了单比特门的操控精度问题 ， 该精度能与囚禁离子相媲美 。 但与离子相比 ， 中性原子因为不带电 ， 可以更方便地构成光阱原子阵列 ， 实现多比特扩展 。
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