麻省理工学院物理学家发现的新量子比特可在“叠加态”中保持长达10秒，或可为量子计算机奠定颇具前景的基础。
在这种状态下，量子比特应能与其他量子比特进行通信并同时处理多路信息流，从而快速解决经典计算机需要数年才能处理的问题。
要利用振动量子比特制造可实际运行的量子计算机，研究团队还需找到控制单个费米子对的方法。
麻省理工学院物理学家发现了一种新型量子位，即“量子比特”，以被称为费米子的成对原子振动形式存在。当费米子对被冷却并被困于光晶格中时，粒子可以同时存在于两种状态之中，这是一种被称为叠加态的奇特量子现象。在此情形下，原子保持了两种振动态的叠加：在这种状态中，原子对既彼此相向摆动，又同步摆动。
研究团队成功在数百对振动的费米子之间保持了这种叠加态。由此，他们实现了一种新的“量子寄存器”（即量子比特系统），该系统似乎能够在相对较长的时间内保持稳定。这一发现于今日发表在期刊《自然》上，表明这类摇摆的量子比特或可成为未来量子计算机的有前景基础。
量子比特是量子计算的基本单元。在当今计算机中，经典比特从0或1这两种状态之一出发执行一系列逻辑运算，而量子比特则可以同时处于两种状态的叠加之中。在这种微妙的中间状态下，量子比特应能同时与许多其他量子比特进行通信，并在同一时间处理多路信息流，从而快速解决经典计算机需要数年才能处理的问题。
量子比特有多种类型，其中一些是人工设计的，另一些则天然存在。大多数量子比特以难以稳定著称：要么无法保持其叠加态，要么不愿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极为稳定，即使在环境噪声的干扰下，也能在两种振动态之间保持叠加长达10秒。该团队认为，这些新的振动量子比特可以被设计为短暂相互作用，并有望在转瞬之间完成数万次操作。
“我们估计，这些量子比特相互作用仅需一毫秒，因此在该相干时间内我们可望完成10,000次操作，这可能与其他平台相比具有竞争力，”麻省理工学院物理学托马斯·A·弗兰克教席教授马丁·茨维尔莱因（Martin Zwierlein）表示，“因此，实现这些量子比特的计算功能确有切实希望。”
茨维尔莱因是该论文的合著者，与第一作者 Thomas Hartke、Botond Oreg 和 Ningyuan Jia 一道，四人均为麻省理工学院电子研究实验室成员。
意外的收获
该团队的发现最初是偶然发生的。茨维尔莱因的研究小组研究超冷、超低密度下原子的行为。当原子被冷却至星际空间温度的百万分之一，并被隔离在空气密度的百万分之一的环境中时，量子现象和新奇的物质状态便可能涌现。
在这些极端条件下，茨维尔莱因及其同事正在研究费米子的行为。从技术上讲，费米子被定义为任何具有奇数半整数自旋的粒子，例如中子、质子和电子。通俗来说，这意味着费米子天生便具有排他性。两个完全相同的费米子不能占据同一量子态，这一性质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。
电子是费米子的典型例子，它们之间的泡利不相容使得原子结构和元素周期表呈现多样性，并保证了宇宙中一切物质的稳定性。费米子也包括由奇数个基本粒子组成的任何类型原子，因为这些原子同样会自然地相互排斥。
茨维尔莱因的团队恰好在研究钾-40的费米子原子。他们将费米子云冷却至100纳开尔文，并利用激光系统产生光晶格，以囚禁这些原子。他们调节条件，使晶格中的每个阱都囚禁一对费米子。最初，他们观察到，在特定条件下，每对费米子似乎如同单个分子一样同步运动。
为进一步探测这一振动态，他们对每对费米子施加一次扰动，随后对光晶格中的原子进行荧光成像，发现时不时会有大多数晶格方格变暗，这反映出成对原子结合成分子。但在继续对系统成像时，原子似乎又会周期性地重新出现，表明这些原子对正在两种量子振动态之间振荡。
“在实验物理中，经常会出现一个明亮的信号，而下一刻它便彻底消失，再也不会回来，”茨维尔莱因说，“这次它先暗了下去，然后又亮起来，并且不断重复。这种振荡表明存在一个随时间演化的相干叠加态。那是一个令人欣喜的时刻。”
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“低沉的嗡鸣”
经过进一步成像和计算，物理学家证实，费米子对正保持着两种振动态的叠加，它们同时一起运动，如同两个同步摆动的钟摆，并且彼此相对、相互对抗地运动。
“它们以约144赫兹的频率在这两种状态之间振荡，”哈特克指出，“这是一个你能听到的频率，就像低沉的嗡鸣。”
该团队能够调节这一频率并控制费米子对的振动态，调控幅度达三个数量级，其方法是施加并改变磁场，借助一种称为费什巴赫共振的效应。
“这就像从两个互不作用的钟摆开始，通过施加磁场，我们在它们之间建立了一根弹簧，并可以改变弹簧的强度，从而缓缓地将钟摆推开，”茨维尔莱因说。
通过这种方式，他们能够同时操控约400对费米子。他们观察到，作为一个整体，这些量子比特能够在长达10秒的时间内保持叠加态，随后单个原子对会坍缩到两种振动态之一。
“我们证明，我们能够完全控制这些量子比特的状态，”茨维尔莱因说。
要利用振动量子比特制造可实际运行的量子计算机，研究团队还必须找到控制单个费米子对的方法，这一问题物理学家们已接近解决。更大的挑战在于找到让单个量子比特彼此通信的方法。对此，茨维尔莱因有一些想法。
“这是一个我们知道可以使两个量子比特相互作用的系统，”他说，“有一些方法可以降低原子对之间的势垒，使它们靠拢、相互作用，然后再分开，持续约一毫秒。因此，实现双量子比特门已有明确路径，而这正是制造量子计算机所需要的。”
本研究得到部分支持，资助方包括美国国家科学基金会、戈登及贝蒂·摩尔基金会、范内瓦·布什教职奖以及亚历山大·冯·洪堡基金会。
