瑞典研究人员提出”巨型超级原子”量子系统设计

瑞典查尔姆斯理工大学的研究人员提出了一种基于”巨型超级原子”概念的量子系统全新理论设计。这一概念为保护、控制和传递量子信息提供了新思路，有望推动科学家向构建大规模量子计算机迈出重要一步。

量子计算机有望通过求解传统机器远无法应对的问题，在药物研发和加密等领域带来革命性突破。然而，一个名为”退相干”的重大挑战始终制约着相关进展。退相干是指量子比特（qubit）因与外部环境发生相互作用而丢失信息的现象。即便是微弱的电磁噪声，也足以破坏计算所需的脆弱量子态。

“量子系统拥有超强的计算能力，但也极为脆弱。让它真正发挥作用的关键，在于学会如何控制其与外部环境之间的相互作用。”查尔姆斯理工大学应用量子技术方向博士后研究员杜磊表示。

杜磊是这篇阐述新型量子系统的研究论文的第一作者。该设计以巨型超级原子为核心，将多个关键特性融为一体：这类系统既能减少退相干现象、保持稳定性，又由多个相互连接的”原子”组成，协同作为一个整体单元运作。

什么是巨型超级原子

巨型超级原子将量子物理学中两个此前相互独立的概念——巨型原子与超级原子——融合在一起。尽管两者各自已有深入研究，但此次将二者整合进同一系统，尚属首次。这类结构的行为类似于原子，却并非自然界中天然存在的原子，而是由科学家人工构建而成。

巨型原子与它的”量子回声”

巨型原子的概念由查尔姆斯理工大学的研究人员在十多年前首次提出，如今已在该领域得到广泛应用。巨型原子通常被设计为一个量子比特（即量子信息的最小单元）。与普通原子不同，它在多个物理上相互分离的位置与光波或声波相连接，从而能够在多个地点同时与环境发生相互作用，有助于保存量子信息。

“从一个连接点发出的波可以穿过环境，再返回来影响原子的另一个连接点——这有些类似于在自己话还没说完时就听到了自己声音的回声。这种自相互作用会产生极为有益的量子效应，有效减少退相干现象，并使系统对过去的相互作用保有某种’记忆’。”查尔姆斯理工大学应用量子物理副教授、论文共同作者安东·弗里斯克·科库姆解释道。

跨距离延展量子纠缠

尽管巨型原子加深了人们对量子行为的理解，但在实现量子纠缠方面仍存在局限。量子纠缠使多个量子比特能够共享同一量子态、协同运作，这对于强大的量子计算机而言至关重要。

为突破这一局限，研究团队将巨型原子与超级原子的概念相结合。超级原子由多个天然原子构成，这些原子共享同一量子态，整体上表现得像一个更大的原子。

这种结合预计将有助于更便捷地创建量子通信、量子网络和高灵敏度测量系统所需的复杂量子态。

“巨型超级原子可以被理解为多个巨型原子协同运作的单一整体，展现出光与物质之间的非局域相互作用。这使得来自多个量子比特的量子信息能够在一个单元中存储和控制，而无需日益复杂的外围电路。”杜磊解释道。

“巨型超级原子为我们开启了全新的能力空间，提供了一套强大的新工具箱。它们让我们能够以此前极为困难甚至完全不可能的方式来控制量子信息、创建量子纠缠。”查尔姆斯理工大学应用量子物理教授、论文共同作者亚宁·斯普莱特施托瑟说道。

迈向可扩展的实用量子系统

这项研究为构建既可扩展又可靠的量子系统开辟了新的可能性。研究人员计划从理论层面向实际构建这类系统推进。该设计还可与其他量子技术集成，作为连接不同类型量子平台的基础构建模块。

“目前，业界对混合方案有着浓厚的兴趣，即让不同的量子系统协同工作，因为各系统各有所长。”安东·弗里斯克·科库姆表示，”我们的研究表明，巧妙的设计可以降低对日益复杂硬件的依赖，而巨型超级原子正推动我们离真正实用的量子技术更近一步。”

控制量子信息流

关于保护、控制和分发量子信息的方法，该研究显示，巨型超级原子与光的相互作用方式取决于其内部量子态。这一发现使研究人员能够更精准地控制量子信息在系统中的传输方式。研究人员描述了两种不同的连接方式，以实现各自所需的效果。

在第一种方案中，多个巨型超级原子以特定排列方式紧密相连，从而实现量子态在彼此之间的无退相干传递，确保信息不会丢失。

在第二种方案中，原子间距较大，但通过精确调谐的方式相互连接，使波保持同步，从而能够引导量子信号、在长距离范围内分发量子纠缠。

理解巨型原子与超级原子

超级原子和巨型原子均为人工构建的量子系统，其行为类似于原子，而非自然界中天然存在的原子。

超级原子是由多个天然原子构成的量子系统，这些原子共享同一量子态，对光的响应表现为一个整体。

巨型原子则在空间中多个独立位置与光波或声波相连接，因其尺寸大于所交互光的波长，故而得名”巨型”。

巨型原子具有明确的能级，遵循量子力学规律，但其尺寸可达毫米量级，甚至肉眼可见。通过电磁波或声波，它们能够同时在多个位置与外部环境相互作用。可以将其想象为一个与多个远距离点相连的单一原子，这种独特的结构使原子能够受到其自身所产生的波的影响。

Q&A

Q1：巨型超级原子是什么？和普通量子比特有什么区别？

A：巨型超级原子是一种人工构建的量子系统，融合了”巨型原子”和”超级原子”两个概念。普通量子比特容易受环境干扰而丢失信息（退相干），而巨型超级原子由多个相互连接的原子协同构成单一整体，能在多个物理位置同时与环境相互作用，从而有效减少退相干现象，并在一个单元内存储和控制来自多个量子比特的量子信息，无需复杂的外围电路支持。

Q2：退相干问题为什么会影响量子计算？

A：退相干是量子计算面临的核心挑战之一。量子比特在进行计算时需要保持特定的量子态，但一旦与外部环境（如电磁噪声）发生相互作用，这些脆弱的量子态就会被破坏，导致信息丢失，计算结果出错。即使是极其微弱的环境干扰也可能引发退相干，这使得构建稳定、可靠的量子计算机极为困难。巨型超级原子设计正是针对这一问题提出的解决方案。

Q3：巨型超级原子研究目前处于什么阶段？什么时候能实际应用？

A：目前该研究仍处于理论设计阶段，由瑞典查尔姆斯理工大学的研究团队提出。下一步，研究人员计划从理论走向实际构建这类系统。该设计有望与其他量子技术集成，作为连接不同量子平台的基础构建模块。尽管距离大规模实用化仍有距离，但研究人员认为这一设计将推动量子技术向真正可扩展、可靠的方向迈进。