由日本国立自然科学研究所(NINS)分子科学研究部Kenji Ohmori教授领导的一个研究小组通过利用被冷却到几乎绝对零度并被困在光镊中的原子，然后用仅发光10皮秒的特殊激光来操纵​​原子，他们成功地执行了世界上最快的双量子比特门(这是量子计算所必需的一项基本操作)，其运行时间仅为6.5纳秒(1纳秒为十亿分之一秒)。

这台执行双量子比特门超快的量子计算机使用超快激光来操纵被光镊捕获的冷原子，它有望成为一种全新的量子计算机，其突破了目前正在开发的超导和捕获离子量子计算机的限制。该研究成果已发表在2022年8月8日的《自然·光子学》在线版上。

冷原子量子计算机

冷原子量子计算机是基于1997年诺贝尔物理学奖“用激光冷却和陷俘原子”和2018年诺贝尔物理学奖“用激光操纵粒子的光镊技术”。这些技术有助于使用光镊将冷原子阵列排列成任意形状，并允许单独观察每个形状。

因为原子是天然的量子系统，它们可以很轻松地成为存储量子信息的量子比特，这是量子计算机的基本构建块。此外，这些原子与周围环境隔离的非常好，并且彼此互相独立。一个量子比特的相干时间(量子叠加持续的时间)可以达到几秒。可以通过将原子的一个电子激发到一个巨大的电子轨道(被称为里德堡轨道)中来执行双量子比特门。

凭借这些技术，冷原子平台已成为最有前途的量子计算机硬件候选者之一，并引起了世界各地工业界、学术界和政府的关注。特别是，与目前正在开发的超导和俘获离子量子计算机相比，它具有革命性的潜力，因为它可以很容易地扩大规模，同时保持高相干性。

量子门

量子门是构成量子计算的基本算术元素。它们对应于传统经典计算机中的“AND”和“OR”等逻辑门。有操纵单个量子比特状态的单量子比特门和在两个量子比特之间产生纠缠的双量子比特门。双量子比特门是量子计算机具有高速性能潜力的来源，它在技术上具有挑战性，而最重要的双量子比特门之一被称为“受控Z门(CZ门)”。

量子门的精度(保真度)很容易被来自外部环境和工作激光器的噪声所降低，这使得量子计算机的开发变得困难。由于噪声的时间尺度一般都慢于一微秒，如果能够实现比它还足够快的量子门，就可以避免噪声导致的计算精度的下降。因此，过去20年来，所有的量子计算机硬件研究都在追求更快的门。这项研究利用冷原子硬件实现的6.5纳秒的超快门比噪声快了两个数量级以上，因此可以忽略其影响。之前的世界纪录是15纳秒，由谷歌量子AI团队于2020年通过超导电路实现。

实验方法

该实验是使用铷原子进行的。首先，研究人员使用激光束将已冷却至约超低温气相中的两个铷原子用光镊以微米间隔排列。然后，再用超短激光脉冲照射它们，该脉冲仅发射1/100亿分之一秒的光，并观察它们发生的变化。分别被困在两个相邻原子(原子1和原子2)的最小轨道(5P)中的电子被撞入到巨大的里德堡电子轨道(43D)。然后，这些巨大原子间的相互作用导致轨道形状和电子能量的周期性来回交换，周期为6.5纳秒。

在一次振荡过后，量子物理定律决定了波函数的符号被翻转，从而实现了双量子比特门(受控Z门)。利用这种现象，他们使用量子比特进行了量子门操作，其中5P电子态为“0”态，43D电子态为“1”态。原子1和原子2分别制备为量子比特1和量子比特2，并利用超短激光脉冲诱导能量交换。在一个能量交换周期中，只有当量子比特1处于“1”态时，量子比特2的叠加态的符号才会反转。研究小组通过实验观察到了这种翻转，从而证明了其双量子比特门可以在6.5纳秒内运行，并且是世界上最快的。（编译:Qtech）