量子计算中原子态的极精确测量

一种新方法允许原子“量子比特”（量子计算机中的基本信息单位）的量子状态以比以前可能的误差小20倍的误差进行测量，而不会损失任何原子。

图片说明：新方法可以非常精确地测量原子量子位的量子状态，这是量子计算机中的基本信息单位。原子最初被分类以填充两个5×5平面（黄色虚线网格标记其初始位置）。在第一张图像被拍摄后，微波被用来将原子置于两个自旋态的相等叠加位置。在最终图像中向左或向右的移动对应于在一种自旋状态或另一种自旋状态下的检测。关联的方形图案表示原子位置（青色：初始位置，橙色和蓝色：移位位置）。学分：宾夕法尼亚州韦斯实验室

精确测量量子比特态，类似于传统计算中比特的一态或零态，是量子计算机发展的重要一步。一篇描述宾夕法尼亚州立大学研究人员的方法的论文发表在2019年3月25日的《自然物理学》杂志上。

“我们正致力于开发一种量子计算机，该计算机使用三维激光冷却和捕获铯原子阵列作为量子比特，”宾夕法尼亚州立大学物理教授、研究小组组长大卫·韦斯说。由于量子力学是如何工作的，原子的量子位可以存在于两种状态的“叠加”中，这意味着它们在某种意义上可以同时存在于两种状态中。为了读出量子计算的结果，有必要对每个原子进行测量。每次测量都只发现每个原子处于两种可能状态中的一种。两个结果的相对概率取决于测量前的叠加状态。”

为了测量量子比特态，研究小组首先使用激光冷却并将大约160个原子俘获在具有x、y和z轴的三维晶格中。最初，无论原子的量子态如何，激光都能以相同的方式俘获所有原子。然后，研究人员旋转一束产生X晶格的激光的偏振，X晶格在空间上将一个量子态的原子向左移动，另一个量子态的原子向右移动。如果一个原子开始于两个量子位元态的叠加，它结束于向左移动和向右移动的叠加。然后，它们切换到具有较小晶格间距的X晶格，这将原子紧紧地束缚在它们移位位置的新叠加位置上。当光从每个原子散射到观察它的位置时，发现每个原子要么向左移动，要么向右移动，概率取决于它的初始状态。每个原子位置的测量相当于每个原子初始量子比特状态的测量。

韦斯说：“将内部状态映射到空间位置，对于使这成为一个理想的测量方法有很大的帮助。”“我们方法的另一个优点是，测量不会导致我们正在测量的任何原子的损失，这在许多以前的方法中是一个限制因素。”

研究小组通过在晶格中加载一种或另一种量子比特态的原子并进行测量，确定了新方法的准确性。他们能够以0.9994的保真度精确测量原子态，这意味着10000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个实验中测量的量子比特数的影响，而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个计算。

“我们的方法类似于1922年的斯特恩-格拉赫实验，这是量子物理学史上不可或缺的一个实验，”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。当Stern和Gerlach看到一半的原子上下偏转时，它证实了量子叠加的概念，这是量子力学的一个重要方面。在我们的实验中，我们也将原子的内部量子态映射到位置上，但是我们可以在原子间进行。当然，我们不需要测试量子力学的这方面，我们只需要使用它。”