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在構(gòu)建實(shí)用量子計(jì)算機(jī)的進(jìn)程中，量子比特與環(huán)境相互作用導(dǎo)致的“退相干”是根本性挑戰(zhàn)。現(xiàn)在，瑞典查爾姆斯理工大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)提出一種基于“巨型超原子”的全新量子系統(tǒng)理論，就像為量子計(jì)算機(jī)打開(kāi)了新的“工具箱”，有望為大規(guī)模、可擴(kuò)展的量子計(jì)算開(kāi)辟新路徑。相關(guān)研究發(fā)表在美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)優(yōu)?？凭W(wǎng)站上。

量子計(jì)算機(jī)被認(rèn)為將給藥物研發(fā)、加密技術(shù)等領(lǐng)域帶來(lái)突破，但其發(fā)展長(zhǎng)期受限于量子比特的脆弱性——即便微弱的環(huán)境噪聲，也足以破壞其量子態(tài)。為此，該領(lǐng)域研究人員一直致力于提升量子系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可控性。

研究團(tuán)隊(duì)此次提出的“巨型超原子”模型，融合了“巨型原子”與“超原子”兩類人造量子結(jié)構(gòu)的特性。其中，巨型原子具有多個(gè)空間分離的耦合點(diǎn)，可同時(shí)與環(huán)境中的光波或聲波相互作用，其發(fā)射的波可返回并影響原子自身，形成類似“回聲”的量子效應(yīng)，從而抑制退相干并賦予系統(tǒng)記憶能力。超原子則是由多個(gè)天然原子共享量子態(tài)、整體表現(xiàn)為單一量子實(shí)體的結(jié)構(gòu)。

將二者結(jié)合形成的巨型超原子，能夠以集體形式運(yùn)作，實(shí)現(xiàn)光與物質(zhì)之間的非局域相互作用。這一設(shè)計(jì)使得多個(gè)量子比特的信息可被存儲(chǔ)和控制于一個(gè)單元內(nèi)，減少對(duì)外部復(fù)雜電路的依賴。更重要的是，該系統(tǒng)有望克服以往巨型原子在實(shí)現(xiàn)量子糾纏方面的局限，為遠(yuǎn)距離分發(fā)糾纏態(tài)、構(gòu)建量子網(wǎng)絡(luò)及高靈敏度傳感器提供了新工具。

研究還揭示了巨型超原子與光相互作用的內(nèi)在機(jī)制，并展示了兩種具有實(shí)用潛力的耦合構(gòu)型：在緊密排列下，量子態(tài)可在多個(gè)巨型超原子間無(wú)損傳遞；而在遠(yuǎn)距離精確連接條件下，光波或聲波可保持相位一致，從而實(shí)現(xiàn)量子信號(hào)定向發(fā)送與遠(yuǎn)距離糾纏。

該工作目前仍處于理論階段，研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃進(jìn)一步推進(jìn)其實(shí)驗(yàn)制備。由于該概念可與其他量子系統(tǒng)結(jié)合，也為發(fā)展混合量子平臺(tái)提供了新思路。團(tuán)隊(duì)指出，通過(guò)智能設(shè)計(jì)降低硬件復(fù)雜性，巨型超原子或?qū)⒊蔀檫~向?qū)嵱没孔蛹夹g(shù)的關(guān)鍵一步。

關(guān)鍵詞： 量子 量子計(jì)算 算力 技術(shù) 密鑰 系統(tǒng) 理