10年前，量子計算還是室內(nèi)游戲。量子計算機的擁護者們可對這一科技進行大膽的預(yù)測，因為當時沒有人知道如何將幾個量子比特串聯(lián)起來。

時代已經(jīng)不同了。目前，IBM已經(jīng)擁有了一臺50量子比特的機器，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的研究者們宣布，他們已經(jīng)為125量子比特的計算引擎造出了框架。

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系統(tǒng)概念驗證系統(tǒng)的基礎(chǔ)元件不是計算機芯片，而是原子時鐘。

賓夕法尼亞州立大學研究團隊以及世界各地的研究者們提出了中性原子量子計算機（neutral-atom quantum computer）的概念，它使用激光阱中的銫原子（精確計時的黃金標準）作為計算機引擎的量子比特基礎(chǔ)。“原子是我們最了解的量子力學系統(tǒng)。”賓夕法尼亞州立大學的物理教授大衛(wèi)?維斯（David Weiss）說道。這位教授的團隊在《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立方體中實現(xiàn)了125銫原子的懸停和冷卻，每兩個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。但該團隊尚未開發(fā)出必要的邏輯門和糾錯方法使量子比特運行）。

原子時鐘的計時基礎(chǔ)是這些經(jīng)過充分研究的超冷穩(wěn)定原子的特性。它被稱為超精細分裂，涉及每個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分裂過程中產(chǎn)生9192631770個輻射周期的時間）。

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

要想使用原子陣列實現(xiàn)量子計算機，原子必須糾纏。對此，維斯解釋道，在125量子比特的3D陣列內(nèi)，激光將單個的原子激發(fā)進入高度活躍的電子態(tài)，然后再將其冷卻。他說道，整個系統(tǒng)十分敏感，以至于目標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。

威斯康星大學麥迪遜分校的物理教授馬克?薩夫曼（Mark Saffman）說，他的團隊能夠?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)來自維斯的研究團隊）。相比之下，一個典型的操作（比如，將兩組量子比特相乘）花費的時間只有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)因為噪聲而崩潰之前進行很多操作。“使用激光束將原子量子比特激發(fā)至高激狀態(tài)，我們可任意啟動非常強烈的交互作用。”

馬里蘭大學的物理教授威廉?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而榮獲諾貝爾物理學獎，他說，中性原子量子計算的另一個挑戰(zhàn)是做出權(quán)衡和取舍。

“沒有了遠程強勁的庫倫相互作用，我們可輕松地將許多原子放入一個小容積中。但是同時也意味著更難操控原子，進而實現(xiàn)快速量子門。”菲利普斯說。

科羅拉多州博爾德市ColdQuanta公司的首席執(zhí)行官達納?安德森（Dana Anderson）說，既然單個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)科學已經(jīng)準備就緒。他還說道，ColdQuanta正在努力實現(xiàn)薩夫曼和維斯的構(gòu)想——將中性原子作為量子計算機或模擬器的基礎(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，“量子時鐘也好，量子計算也好，它們的本質(zhì)是一樣的。”

維斯稱，在目前的技術(shù)條件下，他的3D陣列有望達到1728個量子比特，排成12行和12列。但是，在他的團隊和其他研究人員開發(fā)出更強大的糾錯方法前，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陣列究竟哪個更可行，這個問題還有待商榷。目前，“我認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工程問題。”