极其精确的量子计算原子状态测量

一种新的方法允许原子“量子比特”的量子态 - 量子计算机中信息的基本单位 - 的测量误差比以前可能的二十倍,而不会丢失任何原子。精确测量量子位状态,类似于传统计算中的一个或零个位状态,是量子计算机发展的关键步骤。描述宾夕法尼亚州立大学研究人员方法的论文于2019年3月25日发表在“自然物理学”杂志上。

“我们正在努力开发一种量子计算机,它使用激光冷却和被捕获的铯原子三维阵列作为量子比特,”宾夕法尼亚州立大学物理学教授,研究团队负责人David Weiss说。“由于量子力学的工作原理,原子量子位可以存在于两个状态的'叠加'中,这意味着它们在某种意义上可以同时存在于两个状态中。要读出量子计算的结果,就必须对每个原子进行测量。每次测量只能找到两个可能状态中的一个。两个结果的相对概率取决于测量前的叠加状态。“

为了测量量子位状态,该团队首先使用激光冷却并捕获具有X,Y和Z轴的三维晶格中的约160个原子。最初,激光器以相同的方式捕获所有原子,而不管它们的量子态如何。然后研究人员旋转产生X晶格的激光束之一的极化,它将一个量子位状态的原子向左空间移动,另一个量子位状态的原子向右移动。如果一个原子以两个量子位状态的叠加开始,它最终会向左移动并向右移动。然后,他们切换到具有较小晶格间距的X晶格,这紧密地将原子捕获在它们新的移位位置叠加中。当光从每个原子散射以观察它的位置时,每个原子被发现向左移动或向右移动,具有取决于其初始状态的概率。每个原子位置的测量值相当于每个原子初始量子位状态的测量值。

“将内部状态映射到空间位置对于使其成为理想的测量方法还有很长的路要走,”Weiss说。“我们的方法的另一个优点是测量不会导致我们测量的任何原子的损失,这是许多先前方法的限制因素。”

团队通过在一个或另一个量子位状态中加载原子晶格并执行测量来确定新方法的准确性。他们能够精确测量原子状态,保真度为0.9994,这意味着10,000次测量中只有6次误差,比以前的方法提高了20倍。此外,误差率不受团队在每次实验中测量的量子位数的影响,并且由于没有原子损失,原子可以在量子计算机中重复使用以执行下一次计算。

“我们的方法类似于1922年的斯特恩 - 格拉赫实验 - 这是量子物理学历史不可或缺的实验,”韦斯说。“在实验中,一束银原子通过磁场梯度,其北极与梯度垂直对齐。当斯特恩和格拉赫看到一半原子向上偏转半下时,它证实了量子叠加的概念,一个在我们的实验中,我们还将原子的内部量子态映射到位置,但我们可以在逐个原子的基础上进行。当然,我们不需要测试量子力学的这个方面。 ,我们可以使用它。“

除了Weiss之外,宾夕法尼亚州立大学的研究团队还包括吴宗耀,Aishwarya Kumar和Felipe Giraldo。该研究得到了美国国家科学基金会的支持。