10年前，量子計算還是室內(nèi)游戲。量子計算機的擁護者們可對這一科技進行大膽的預(yù)測，因為當時沒有人知道如何將幾個量子比特串聯(lián)起來。

時代已經(jīng)不同了。目前，IBM已經(jīng)擁有了一臺50量子比特的機器，英特爾的是49量子比特，而谷歌已經(jīng)開發(fā)出了72量子比特的設(shè)備。賓夕法尼亞州立大學(xué)的研究者們宣布，他們已經(jīng)為125量子比特的計算引擎造出了框架。

但是與IBM、英特爾和谷歌的成熟設(shè)備不同，賓夕法尼亞州立大學(xué)系統(tǒng)概念驗證系統(tǒng)的基礎(chǔ)元件不是計算機芯片，而是原子時鐘。

賓夕法尼亞州立大學(xué)研究團隊以及世界各地的研究者們提出了中性原子量子計算機（neutral-atom quantum computer）的概念，它使用激光阱中的銫原子（精確計時的黃金標準）作為計算機引擎的量子比特基礎(chǔ)。“原子是我們最了解的量子力學(xué)系統(tǒng)。”賓夕法尼亞州立大學(xué)的物理教授大衛(wèi)?維斯（David Weiss）說道。這位教授的團隊在《自然》上發(fā)表了一篇論文，宣稱他們已經(jīng)成功使用激光在一個立方體中實現(xiàn)了125銫原子的懸停和冷卻，每兩個鄰近的銫原子之間的距離為5微米。（量子比特可以加載、冷卻以及屏蔽干擾。但該團隊尚未開發(fā)出必要的邏輯門和糾錯方法使量子比特運行）。

原子時鐘的計時基礎(chǔ)是這些經(jīng)過充分研究的超冷穩(wěn)定原子的特性。它被稱為超精細分裂，涉及每個原子最外層電子的自旋（今天，人們普遍將原子秒定義為銫在超精細分裂過程中產(chǎn)生9192631770個輻射周期的時間）。

量子計算機的設(shè)計理念與原子時鐘的銫量子態(tài)一致。作為量子計算機的一部分，銫原子依賴于一種量子特性，而這種特性并沒有運用到原子時鐘上。和所有的量子比特一樣，銫原子量子計算機中的量子比特可以占用一個超精細狀態(tài)（稱之為0）或占用一個稍高的能態(tài)（稱之為1），或者在量子計算的核心處于一個既有一個比特0又有一個比特1的中間狀態(tài)——稱為量子疊加。

要想使用原子陣列實現(xiàn)量子計算機，原子必須糾纏。對此，維斯解釋道，在125量子比特的3D陣列內(nèi)，激光將單個的原子激發(fā)進入高度活躍的電子態(tài)，然后再將其冷卻。他說道，整個系統(tǒng)十分敏感，以至于目標原子附近的銫原子能感知到它的活躍以及冷卻，足以使陣列中的部分原子發(fā)生糾纏。

威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的物理教授馬克?薩夫曼（Mark Saffman）說，他的團隊能夠?qū)⒉东@的銫原子2D陣列中的量子態(tài)維持10秒甚至更久（薩夫曼還提到，這一數(shù)據(jù)來自維斯的研究團隊）。相比之下，一個典型的操作（比如，將兩組量子比特相乘）花費的時間只有1微秒或者更短。薩夫曼說，這種潛力是系統(tǒng)固有的，可在量子態(tài)因為噪聲而崩潰之前進行很多操作?！笆褂眉す馐鴮⒃恿孔颖忍丶ぐl(fā)至高激狀態(tài)，我們可任意啟動非常強烈的交互作用?！?/p>

馬里蘭大學(xué)的物理教授威廉?菲利普斯（William Phillips）曾在1997年因在激光原子陷阱方面的杰出貢獻而榮獲諾貝爾物理學(xué)獎，他說，中性原子量子計算的另一個挑戰(zhàn)是做出權(quán)衡和取舍。

“沒有了遠程強勁的庫倫相互作用，我們可輕松地將許多原子放入一個小容積中。但是同時也意味著更難操控原子，進而實現(xiàn)快速量子門?！狈评账拐f。

科羅拉多州博爾德市ColdQuanta公司的首席執(zhí)行官達納?安德森（Dana Anderson）說，既然單個原子能夠被有效地穩(wěn)定并冷卻到100毫微開爾文以下，這說明大部分的基礎(chǔ)科學(xué)已經(jīng)準備就緒。他還說道，ColdQuanta正在努力實現(xiàn)薩夫曼和維斯的構(gòu)想——將中性原子作為量子計算機或模擬器的基礎(chǔ)。

“一旦將原子的溫度降到這么低，我們就可以預(yù)見一大批量子科技的誕生，”安德森說道，“量子時鐘也好，量子計算也好，它們的本質(zhì)是一樣的?！?/p>

維斯稱，在目前的技術(shù)條件下，他的3D陣列有望達到1728個量子比特，排成12行和12列。但是，在他的團隊和其他研究人員開發(fā)出更強大的糾錯方法前，這么多的量子比特用處非常有限。

至于薩夫曼和ColdQuanta提到的2D陣列和3D陣列究竟哪個更可行，這個問題還有待商榷。目前，“我認為這些問題都是可以解決的，”安德森說，“這在很大程度上是一個工程問題。”