量子計算機理論上可以解決常規計算機無法解決的問題。然而，大多數量子計算機的關鍵成分是量子比特，或量子糾纏結合在一起的量子比特，極易受到周圍環境的破壞。現在，日本的科學家已經成功執行了世界上最快的雙量子位門，其運行時間僅為6.5納秒（1納秒為十億分之一秒）。

經典的計算機通過接通或關斷晶體管來將數據符號化為1或0。相比之下，量子計算機使用量子比特或量子位，由于量子物理的奇怪性質，它們可以以一種稱為疊加的狀態存在，在這種狀態下它們同時為1和0。這基本上允許每個量子位同時執行兩個計算。

然而，眾所周知，量子計算機對于外部干擾，如電子、離子或熱漲落非常脆弱。這意味著當今最先進的量子計算機極易出錯，通常大約每1000次操作就會出現一次錯誤。相反，許多實際應用要求錯誤率降低十億倍或更多。

處理量子計算機中噪聲影響的一種方法是加快它們執行稱為量子門的基本操作的速率，量子門是傳統計算機用于執行計算的邏輯門的量子計算版本。量子門因噪聲而出錯的幾率隨著時間的推移而變化，運行得越快，失敗的概率就越低。

在這項新的研究中，研究人員對由中性帶電的銣原子組成的量子位進行了實驗。與其他量子計算平臺相比，中性原子作為量子位可能具有許多好處。

例如，基于原子的量子位受益于這些粒子幾乎完全相同的方式。相比之下，基于器件的量子位，如谷歌和IBM在量子計算機中使用的超導電路，必須應對制造過程中不可避免的這些組件之間的變化所導致的問題。

另一個吸引了越來越多興趣的量子計算平臺使用電磁俘獲的帶電離子。然而，離子相互排斥，使得它們難以以密集的方式堆疊。相比之下，科學家可以將中性原子更緊密地聚集在一起。

此外，中性原子缺乏電荷意味著它們不容易與其他原子相互作用。這使它們對噪聲更具免疫力，意味著它們可以在相對較長的時間內保持一致或疊加。例如，今年5月，總部位于加州伯克利的量子計算初創公司Atom Computing透露，他們可以將中性原子量子位保持約40秒的相干，這是商業平臺上有史以來最長的相干時間。此外，中性原子可以用激光冷卻，而不是像超導電路這樣的其他量子比特平臺所需要的龐大制冷。

科學家們首先用激光束陣列捕獲并冷卻中性原子。接下來，他們使用這些激光激發電子到遠離原子核的所謂Rydberg軌道。由此產生的“Rydber原子”可能是基態原子的數百到數千倍。

日本國立自然科學研究院分子科學研究所（IMS）的量子物理學家、研究高級作者Kenji Ohmori表示，理論上，Rydberg軌道的巨大性質可以導致Rydberg原子強烈體驗相互作用，如相互糾纏，從而實現快速量子門。然而，由于對原子位置的嚴格要求等因素，以前沒有人意識到這種可能性。

在新的研究中，研究人員使用激光束控制原子之間的距離，精確到30納米。他們還將原子冷卻到絕對零度以上約1/100000度的超低溫，以減少熱量引起的任何抖動。

接下來，研究人員使用持續時間僅為10皮秒-萬億分之一秒的超短激光脈沖，同時將一對原子激發到Rydberg態。這使得他們可以在6.5納秒內執行量子門，將量子比特糾纏在一起，使其成為迄今為止最快的量子門。（之前量子門的速度紀錄是15納秒，由谷歌在2020年用超導電路實現。）

“我們可以在全新的時間尺度上操縱Rydberg原子，它重新定義了利用這個平臺可以做什么，”該研究的合著者、分子科學研究所的量子物理學家Sylvain de Leseleuc說。

Rydberg原子量子計算機通常會經歷每微秒百分之幾的噪聲錯誤率，de Leseleuc表示。這種新的兩量子位門的速度是這個錯誤率的數百倍，這表明使用這種策略構建的量子計算機可能會忽略噪聲的影響。

盡管研究人員可以將Rydberg原子間隔在1.5到5微米之間，但他們最終選擇了大約2.4μm的距離。“Rydberg原子之間的相互作用越緊密，就越強，”de Leseleuc說。他解釋說，這意味著較短的距離將導致更快的門對外部噪聲不太敏感，但更難控制，而較長的距離將使較慢的門對外界噪聲更敏感，但不太難控制。

de Leseleuc說，未來的工作目標可能是更快、更可靠地使用更穩定的激光器，其能量波動小于這些實驗中使用的商業設備。

Ohmori說：“我們正在為Rydberg原子開辟一個新的游樂場，我們可以稱之為‘超快Rydberg物理學’和‘超快Rydberg量子工程’。”