镱量子比特无损测量促进量子计算

　　

　　金属钇-171的原子可能是自然界中最接近完美量子比特的东西。最近的一项研究展示了如何使用它们进行重复的量子测量和量子比特旋转，这可能有助于可扩展量子计算的发展。

　　伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的物理学家们开发了一种测量镱-171量子比特的方法，可以将它们保存下来以备将来使用。正如研究人员在《PRX量子》杂志上所报道的那样，实现这种“非破坏性测量”使他们能够使用处理器进行长时间、多阶段的计算，这是许多量子算法的基础。

　　“在过去的几年里，镱-171已经成为量子计算的一个非常有前途的候选者，”该研究的主要作者威廉·惠(William Huie)说。“现在我们已经证明了无损测量和量子比特旋转，我们已经证明了镱原子阵列在某些类别的量子计算操作中显示出了希望。”

　　在目前正在探索的许多量子计算平台中，像镱这样的中性原子阵列是最有前途的一个。它们可以直接扩展到大型系统，而且由于它们使用自然发生的原子，因此硬件和制造方面的问题更少。然而，某些类型的原子更难使用，因为它们具有复杂的水平结构。

　　“量子计算是基于量子位的——基本上是两个可访问级别的量子系统，”雅各布·柯维说，他是美国大学物理学教授，也是该项目的负责人。“然而，尽管有这些优点，原子可以有几十个可访问的能级。确保你一次只处理两个关卡是相当有挑战性的。”

　　近年来，镱-171引起了人们的注意，因为它在冷却到最低能态时只包含两个可访问的量子能级。因此，对原子的操作不太可能使其脱离理想的两能级量子比特状态，这使得非破坏性测量变得更加容易。

　　“但是，也许有点违反直觉，这些非常适合量子操作的特性是以牺牲原子中更复杂的整体结构为代价的，”Covey说。“我们和其他研究镱和其他碱土类原子的小组不得不重新开发许多现在原子物理学中的标准技术来处理它的复杂性。”

　　研究人员报告说，他们以99%的成功率实现了对镱171量子比特的无损测量。他们通过实施一种被称为实时自适应控制的技术来展示他们的系统的能力，在这种技术中，一台经典的计算机被用来根据测量结果控制镱量子比特。

　　“基于量子比特的算法，由经典计算机外部控制，已经开始在量子信息科学中获得牵引力，”Huie说。“该社区发现，在计算的中间阶段测量和控制量子比特可以在某些情况下更有效地创建大规模量子行为。因此，展望未来，我们的团队很高兴使用我们的镱平台来探索这些新的发展。”

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　　李林涛、陈内维尔、胡锡业、贾竹冰和孙元奎也参与了这项工作。