科学家设计出迄今最强单原子控制系统

绿色激光的能量适于操纵钡离子能态。图片来源：滑铁卢大学

科技日报北京9月12日电(记者张梦然)加拿大科学家利用激光开发出目前已知最强大的方法来控制由化学元素钡制成的单个量子比特。可靠地控制量子比特的能力，是实现未来功能型量子计算机的重要基础。

滑铁卢大学量子计算研究所(IQC)此次使用小型玻璃波导去分离激光束并将它们聚焦到4微米，这大约是人类发丝宽度的4%。每个聚焦的激光束在其目标量子比特上的精度和程度都可并行控制，这是以前研究完全无法做到的。

新设计将串扰量(落在相邻离子上的光量)限制在非常小的相对强度上，研究人员称，这意味着它们可在不影响其“邻居”的情况下与任何离子“交谈”，同时，研究人员还可拥有最大程度地控制每个离子的能力，这是学术界和工业界迄今出现的最为灵活的离子量子比特控制系统。

研究人员此次以钡离子为目标，钡离子在俘获离子量子计算领域越来越受欢迎，其具有方便操作的能量态，可用作量子比特的零能级和一能级，并用可见绿光进行操作。此前对其他原子进行相同操作时，往往需要更高能量紫外线，而现在研究人员不再受此局限，一些不适用于紫外线波长的商用光学技术也可使用了。

这种新波导芯片将单个激光束分成16个不同的光通道，然后将每个通道引导到单独的基于光纤的调制器中，调制器独立地提供对每个激光束的强度、频率和相位的敏捷控制，再使用一系列类似于望远镜的光学透镜，将激光束聚焦到其小间距。最终，相机传感器能精确测量并确认每个激光束的焦点。

这种强大的控制方法兼具了简单与精确，显示出操纵离子编码和处理量子数据以及在量子模拟和计算中实施的前景。

量子计算机原理不难，但实现起来涉及很多技术难题。用什么材料承载量子位，需要对材料的深入探索和精准把握。近几年，钡成为一个很有希望的候选元素。钡量子位的量子计算机有很多优势：更低的错误率、更高的门保真度和更靠谱的状态检测。而且钡量子主要由可见光而非紫外光控制。钡的引入，为量子计算机提供了更多选项。未来的量子计算机或许是容纳多种模块的开放式系统。