芝加哥大學的研究人員，剛剛介紹了一項有助於擴大量子計算機規模的關鍵技術，並用它搭建了一台具有破紀錄的 512 量子比特的原型。據悉，量子計算機可利用疊加和糾纏等現象來執行計算和信息的存儲，且有望在算力上超越傳統計算機幾個數量級。但要實現大規模應用，還得努力克服量子的不穩定性。
研究配圖 – 1：捕獲中性原子的二維雙元素陣列（來自：Physical Review X）
當前最被看好的一種結構方法，就是讓原子陣列來充當量子比特（每個原子都由激光束固定在適當的位置）。通常情況下，這些陣列中的原子都是相同的元素，是的它們能夠糾纏在一起形成一個大群。
研究配圖 – 2：雙元素 512 位原子陣列
問題在於，這使得在不干擾其鄰居的情況下操縱任何單個原子變得相當困難，意味着測量數據可能會破壞整個系統（牽一髮而動全身）。
研究配圖 – 3：Rb 和 Cs 陣列的同質性與加載加載統計信息
好消息是，在近日發表於《物理評論 X》刊上的新研究中，芝加哥大學團隊就嘗試了將兩個元素的原子合成一個數組，以便在操縱一種原子的時候不干擾到另一個。
研究配圖 – 4：連續模式原子陣列
由於每個元素都可獨立控制，這項技術還具有一系列優勢 —— 比如將其中一種原子當做內存，而另一種又可執行計算任務（類似於 RAM 和 CPU），以及減少量子計算機重置時的停機時間。
研究配圖 – 5：具有雙元素陣列的任意幾何形狀
首席研究員 Hannes Bernien 指出：若用單個原子開展相關實驗，某些時候會丟失它，導致系統必須經過一番初始化重置。首先製造一個新的冷電子云，然後等待單個原子再次被激光捕獲。
研究配圖 – 6：實驗序列
不過得益於這種混合設計，我們可以分別對其進行實驗。在操作其中一種元素原子的同時，還可刷新另一種原子 —— 如此交替，便擁有了始終可用的量子比特。
研究配圖 – 7：示例原子熒光直方圖
目前研究團隊已經組裝出了基於 256 個銫原子 + 256 個銣原子的陣列，使之成為了迄今為止最大的量子比特陣列，遠超 IBM Eagle 處理器的 127 量子比特。
研究配圖 – 8：光鑷中的原子壽命
不同的是，IBM Eagle 量子處理器已投入商用，而芝加哥大學的原子混合陣列量子比特方案仍處於原型階段。即便如此，研究團隊還是宣稱新技術有助於構建更大規模、更加穩定的量子計算機。