近几年，量子计算逐渐进入了大众视野，频繁地出现在新闻头条。量子计算是一种基于量子力学原理的新型计算模式，不同于现代经典计算机只能处理 0 和 1，量子计算可以处理 0 和 1 的叠加态。按照这种模式设计的计算机称为量子计算机，理论上其计算速度能远远超过传统计算设备。

图丨量子寄存器的示意图。寄存器中存储的钾-40 量子比特类似于一对一对的钟摆，每对钟摆都有自己的振动模式，有的同步振动，有的相向振动，也有的是两种振动模式的混合（来源：MIT 官网）

什么是量子比特

图丨经典比特（左）与量子比特（右）示意图：左图代表一个经典比特只能处于 0 或 1 态之一，右图代表一个量子比特可以是 0 态和 1 态的叠加（洋红色），关于为什么只有上半球以及 0 与 1 的叠加态不与 0、1 共面，可以理解为概率值是非负实数及复数作为叠加系数的效果（来源：王博士）

量子理论证明，一个量子比特能够同时与众多其他量子比特通过量子逻辑门完成通信和相互作用，执行一系列逻辑运算，实现多个信息流的并行处理，从而快速解决传统计算机需要很长时间才能处理的问题。

2019 年，美国 Google 公司研发了超导量子比特原型机“悬铃木”，利用 53 个超导量子比特在 200 秒内实现了对一个随机量子电路输出信号的采样。同样的问题如果用现有最强超级计算机解决，则需要花费 2 天半的时间。

2020 年以来，中国科学技术大学潘建伟团队成功研制了 76 个以上比特的量子计算原型机“九章”系列，采用纠缠态的光子作为量子比特，比 Google 的“悬铃木”还要快百亿倍。

2021 年，中国科学技术大学团队还研制了可编程超导量子计算原型机“祖冲之”号，这也是量子计算领域的重大突破。

目前，学术界比较流行的量子比特主要有 4 种：超导量子比特（利用超导电路和电磁波实现电流信号的量子振荡），半导体量子比特（向半导体纳米器件中注入电子，利用电磁波控制其量子态），离子阱量子比特（将带电离子通过电磁场限定在有限空间内，利用其基态和激发态作为量子比特），光量子比特（通过单光子源和复杂光路制备纠缠态的光子）等。

其中，以超导量子比特的研究成果最为丰富，但其对材料和器件制造工艺要求非常高。而且，它只能在略高于绝对零度的温度下工作，不利于设备的扩展和集成化。此外，量子比特通常比较“脆弱”，极其微弱的环境影响都能让 0 与 1 混合的量子叠加态“退相干”到简单态 0 或 1 之一。

因此，能否长时间维持量子叠加态，是量子比特性能的一个重要指标。大部分现有量子比特技术的相干时间能达到微秒或毫秒的量级。

MIT 团队发现的量子比特与前面提到的 4 种都不同，他们首次成功地利用激光捕获了数百个碱金属同位素钾-40 的中性冷原子。与超导量子器件不同，该量子寄存器虽然利用了冷原子，但是器件本身不需要制冷，在室温下比较稳定，而且对制造工艺的要求不高。仅仅这两个优点，就让该技术成为了一种非常“自然”的量子比特候选方案。

光学晶格带来意外之喜

图丨光学晶格示意图（a），钾-40 原子对的能量随外加磁场的变化（b），通过改变外加磁场实现对单个原子对（即量子比特）量子态的调控（c）（来源：Nature）

为了进一步探测量子寄存器中数百个量子比特的状态，研究者们利用激光对量子比特进行了荧光成像。他们发现，绝大多数量子比特都会呈现明暗交替的周期性变化。这种变化表明，这些量子比特在两个量子态之间发生了振荡。利用费什巴赫共振，MIT 团队实现了对该振动频率跨越三个数量级的调控，并且其量子态的相干时间达到了 10 秒以上。

该论文指出，该寄存器装置可以用于储存量子信息，并作为分子钟或量子计算中的计时器等。该论文通讯作者茨维尔莱因谈到：“在实验物理研究中经常会有一些明亮信号，但下一刻它们就会消失并且不会重现。但在这个实验里，信号变暗了，接着又亮了，而且反复振荡。这表明（量子比特）存在一种随时间演化的相干叠加态，（这个发现）真是个快乐时刻。”

机遇与挑战