麻省理工学院的物理学家发现了一种新的量子比特，其形式是一种费米子的振动原子对。他们发现，当一对费米子被冷却并被困在一个光学晶格中时，这些粒子可以同时以两种状态存在，这是一种被称为叠加的奇怪量子现象。在这种情况下，原子处于两种振动状态的叠加，这意味着在这种状态下，这对原子在相互摆动的同时也在同步摆动。

该团队能够在数百对振动的费米子之间保持这种叠加状态。在这样做的过程中，他们实现了一种新的“量子寄存器”或量子比特系统，该系统在相对较长的时间内似乎是鲁棒的。这一发现于1月26日发表在《自然》杂志上，研究表明这种不稳定的量子比特可能是未来量子计算机的一个有前途的基础。

一个量子比特代表了量子计算的一个基本单位。在当今计算机中，一个经典的比特可以从两个状态之一(0或1)开始执行一系列的逻辑运算，而量子比特可以以两种状态的叠加形式存在。在这种微妙的中间状态下，一个量子比特应该能够同时与许多其他量子比特通信并一次处理多个信息流，这得以快速解决传统计算机需要数年才能处理的问题。

目前有许多类型的量子比特，其中有一些是经过工程设计的，还有另一些则是自然存在的。大多数量子比特是出了名的善变，要么无法保持它们的叠加，要么不愿意与其他量子比特通信。相比之下，麻省理工学院团队的新量子比特似乎非常强大，它们即使在环境噪声中，也能够保持长达10秒的两种振动状态间的叠加。该团队认为，这种新的振动量子比特可以进行短暂的交互，并有可能在眨眼之间进行数万次操作。

麻省理工学院物理学教授Martin Zwierlein说：“我们估计这些量子比特交互只需要一毫秒，所以我们可以希望在该相干时间内进行1万次操作，这可以与其他平台竞争……因此，让这些量子比特进行计算是有希望的。”
Zwierlein与主要作者Thomas Hartke、Botond Oreg和Ningyuan Jia是该论文的合著者，他们都是麻省理工学院电子研究实验室的成员。

该团队最初的发现纯属偶然。Zwierlein的小组研究原子在超冷、超低密度下的行为。当原子冷却到星际空间百万分之一的温度，并以空气百万分之一的密度被隔离时，就会出现量子现象和新的物质状态。

在这些极端条件下，Zwierlein和他的同事们正在研究费米子的行为。费米子在技术上被定义为任何具有奇数半整数自旋的粒子，如中子、质子和电子。实际上，这意味着费米子本质上是“多刺”的。因为没有两个相同的费米子可以占据相同的量子态，这一特性被称为泡利不相容原理。例如，如果一个费米子自旋向上，另一个则必须自旋向下。

费米子的典型例子是电子，它们相互间的泡利不相容原理导致了原子的结构和元素周期表的多样性，以及宇宙中所有物质的稳定性。费米子也可以是具有奇数个基本粒子的任意一种原子，因为这些原子会自然地相互排斥。

Zwierlein的团队碰巧在研究钾-40(K40)的费米子原子。他们将一团费米子冷却到100纳开尔文，并使用激光系统生成一个光学晶格来捕获原子。他们调整了条件，使晶格中的每个单元单元都能捕获一对费米子。刚开始，他们观察到在某些条件下，每对费米子似乎在同步移动，就像单个分子一样。

为了进一步探索这种振动状态，他们对每个费米子对进行了激发，然后拍摄了晶格中原子的荧光成像。他们发现每隔一段时间，晶格中的大多数正方形都会变暗，这说明反射对形成在一个分子里。但当他们继续对系统进行成像时，原子似乎以周期性的方式重新出现，这表明这些原子对在两个量子振动状态之间振荡。

Zwierlein说：“在通常的实验物理中，你有一些明亮的信号，但下一刻它就会消失，再也不会出现。在我们的实验中，它变暗了但随后又变亮了，而且不断重复。这种振荡表明，随着时间的推移，有一种连贯的叠加在演化。那是一个快乐的时刻。”

经过进一步的成像和计算，物理学家证实，费米子对保持这两种振动状态的叠加，并同时在一起运动。就像两个钟摆同步摆动，并且是同时朝一致方向或相对方向运动。Hartke指出：“它们以大约144赫兹的频率在这两个状态之间振荡。这是你能听到的频率，就像是低沉的嗡嗡声。”

该团队能够通过施加和改变磁场，利用一种被称为Feshbach共振的效应来调整这个频率，从而实现了控制费米子对的振动状态，并达到三个数量级。Zwierlein说：“这就像从两个不相互作用的钟摆开始，通过施加磁场，我们在它们之间创建一个弹簧，并且可以改变弹簧的强度，慢慢地将钟摆推开。”

通过这种方式，他们能够同时操纵大约400个费米子对。他们观察到，作为一个群体，量子比特能保持叠加状态长达10秒，然后个别对会坍缩成其中的一种状态。Zwierlein说：“我们表明我们可以完全控制这些量子比特的状态。”

为了使用振动量子比特能制造出功能性量子计算机，该团队必须找到控制单个费米子对的方法，目前物理学家已经接近于解决这个问题。更大的挑战将是找到一种让单个量子比特相互通信的方式。对此，Zwierlein有了一些想法。

他说：“这是一个我们知道我们可以让两个量子比特相互作用的系统。有一些方法可以降低原子对之间的障碍，这样它们就会聚集在一起相互作用然后再次分裂，会持续大约1毫秒。因此，有一条通向双量子比特门的清晰路径，这是制造量子计算机所需要的。”（编译:Qtech）