全新量子系统理论破解“退相干”难题

来源：科技日报

科技日报记者 张梦然

在构建实用量子计算机的进程中，量子比特与环境相互作用导致的“退相干”是根本性挑战。现在，瑞典查尔姆斯理工大学研究团队提出一种基于“巨型超原子”的全新量子系统理论，就像为量子计算机打开了新的“工具箱”，有望为大规模、可扩展的量子计算开辟新路径。相关研究发表在美国科学促进会优睿科网站上。

量子计算机被认为将给药物研发、加密技术等领域带来突破，但其发展长期受限于量子比特的脆弱性——即便微弱的环境噪声，也足以破坏其量子态。为此，该领域研究人员一直致力于提升量子系统的稳定性与可控性。

研究团队此次提出的“巨型超原子”模型，融合了“巨型原子”与“超原子”两类人造量子结构的特性。其中，巨型原子具有多个空间分离的耦合点，可同时与环境中的光波或声波相互作用，其发射的波可返回并影响原子自身，形成类似“回声”的量子效应，从而抑制退相干并赋予系统记忆能力。超原子则是由多个天然原子共享量子态、整体表现为单一量子实体的结构。

将二者结合形成的巨型超原子，能够以集体形式运作，实现光与物质之间的非局域相互作用。这一设计使得多个量子比特的信息可被存储和控制于一个单元内，减少对外部复杂电路的依赖。更重要的是，该系统有望克服以往巨型原子在实现量子纠缠方面的局限，为远距离分发纠缠态、构建量子网络及高灵敏度传感器提供了新工具。

研究还揭示了巨型超原子与光相互作用的内在机制，并展示了两种具有实用潜力的耦合构型：在紧密排列下，量子态可在多个巨型超原子间无损传递；而在远距离精确连接条件下，光波或声波可保持相位一致，从而实现量子信号定向发送与远距离纠缠。

该工作目前仍处于理论阶段，研究团队计划进一步推进其实验制备。由于该概念可与其他量子系统结合，也为发展混合量子平台提供了新思路。团队指出，通过智能设计降低硬件复杂性，巨型超原子或将成为迈向实用化量子技术的关键一步。

总编辑圈点

量子比特退相干，简单来说，就是量子比特失去神奇的量子特性，退化成普通比特。打个比方，量子比特就像旋转的硬币，同时处于正面和反面的叠加态。不过，轻微扰动就会使旋转的硬币倒下，失去叠加态，这就是量子比特的退相干。攻克这一难题，对于研制量子计算机而言至关重要，因为只有如此才能兑现量子计算机的强大性能。目前，科学家正从多种技术路线并进，尝试避免量子比特退相干，核心目标都是把量子计算机从理论上的“算得快”变成现实中的强大生产力工具。