日本国立自然科学院分子科学研究所的Kenji Omori等人使用光镊将两个冷却到接近绝对零度的原子分开，并使用10皮秒的特殊激光束进行操作，完成双量子比特门操作仅需6.5纳秒，刷新了2020年由谷歌所创造的15纳秒的世界纪录。该成果于8月8日发表在《自然•光子学》杂志上。
量子门是构成量子计算的基本计算元素。它对应于超级计算机等传统经典计算机中的逻辑门，例如AND和OR。单量子比特门可以操纵单个量子比特的状态，双量子比特门可以在两个量子比特之间产生量子纠缠。特别是，双量子比特门是量子计算机高速的源泉，在技术实现上难度更大。一个有代表性的双量子比特门，称为“受控Z门”，其中一个量子比特的状态（“0”或“1”）决定了这个操作将比特的叠加状态从“0”+“1”更改为“0”-“1”。量子门的精度（保真度）容易因外部环境、运行激光器等产生的噪声而降低，给量子计算机开发带来困难。由于噪声的时间尺度一般大于1微秒（百万分之一秒），如果能够实现足够快的量子门，将有可能“完全”避免因噪声而导致的计算精度下降。所以在过去的二十年里，所有的量子计算机硬件都在追求更快的量子门。之前的世界纪录是 15 纳秒，这是 2020 年由 Google AI（美国 Google Inc. 的人工智能部门）在超导量子处理器上实现的。
Kenji Omori等人使用铷原进行了实验。首先，通过使用激光的特殊冷却方法，将两个气态铷原子冷却到约1E-5K的超低温，然后用光镊分离成微米间隔，排列整齐。此外，他们辐照了超短脉冲激光束，其发光时间仅为 10皮秒，并观察发生了什么样的变化。然后，被限制在两个相邻原子（原子 1 和原子 2）的 5P轨道中的两个电子吸收超短脉冲激光，被激发到一个巨大的 43D 电子轨道（里德堡轨道）中，使得两个原子之间的轨道形状和电子能量得以周期性地交换。这种原子之间的能量交换具有改变两个原子量子态“符号”的特性，因此可以应用于量子门操作。利用这种现象，他们使用量子比特进行了量子门操作，其中 5P 电子态（即原子中电子的状态）为“0”态，43D 电子态为“1”态。原子 1 和原子 2 分别制备为 qubit -1 和 qubit -2，并使用超短脉冲激光诱导能量交换。只有当 qubit- 1 处于“1”时，qubit- 2 的叠加态符号才反转状态，使两个波峰叠加“0”+“1”状态在6.5纳秒内转变到两个波的波峰和波谷对齐的“0”-“1”状态。由于超快门比噪声快两个数量级以上，因此可以忽略外部噪声的影响。
与目前正在开发的超导和离子阱量子计算机相比，光镊操纵的超冷原子阵列量子计算机的可扩展性和具有高相干性，因此正在引起各地工业界、学术界和政府的关注。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41566-022-01047-2
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