量子電腦新發展——20位元的量子糾纏態

量子計算領域，因為量子電腦在特定運算中展現的強大運算能力，使其在近年來成為熱門話題。2019年8月，德國「於利希研究中心」（Forschungszentrum Jülich）的跨國研究團隊發表了一篇論文，展示他們利用卓越的光學控制技術，成功製造出20個量子位元的糾纏態，為製造更強大的量子計算器提供深遠的貢獻。

編譯／黃俊維

1935年，薛丁格提出了一個著名的思想實驗：將一隻貓咪放在一個箱子裡，箱子裡有偵測器、放射性物質以及裝著毒藥的瓶子，放射性物質有50%的機率會衰變，如果放射性物質衰變，偵測器偵測到衰變的粒子，便會啟動機器打破毒藥瓶，殺死貓咪。根據量子力學的觀點，在觀測者尚未打開盒子確認結果之前，貓咪既不是死的也不是活的，貓咪應該處於「死和活的疊加態」，要描述這樣的狀態，需要給出死掉跟活著的機率。

量子電腦簡介

雖說這只是一個思想實驗，但它讓我們看到了量子力學的應用潛力——量子電腦。一般電腦的位元，不是0就是1，但是量子電腦的位元，一般稱為量子位元（qubits），可以和薛丁格的貓類似，處於「0和1的疊加態」。這大大增加了儲存資訊的空間，比如說若是有10個量子位元，每個可以是0或1，就有2¹⁰ = 1024種可能，而若是有20個量子位元，則就有2²⁰ = 1,048,576種可能，可處理的運算量將會隨著量子位元的數量增加而快速成長，提供更強大的計算能力。

但是，若是要進行複雜的運算，各個量子位元必須要能夠互相影響，或者換句話說，要能夠「糾纏」在一起。但是這樣的糾纏態非常難以控制，而且很不穩定，一點點的熱擾動都會使這個狀態消失。科學家已經能夠控制超過50個獨立的量子位元，但若是說到能夠互相糾纏的量子位元，則最高紀錄為今年（2019）由「於利希研究中心」（Forschungszentrum Jülich）的跨國研究團隊所創下的20個量子位元的紀錄。

製造20個量子位元的糾纏態

於利希團隊的目標，是創造出20個量子位元互相糾纏在一起的狀態，並且控制它們。首先，他們將20個電中性的原子（實驗中使用的是銣的同位素，⁸⁷Rb）排成一直線，接著，使用雷射光束來照射這排原子。透過調變雷射光束的頻率，把原子外圍的電子激發到主量子數n很高的激發態，使這些原子成為所謂的雷德堡原子。此外，研究團隊精心設計了這些原子之間的距離，使得已經處於激發態的原子旁邊的原子無法被激發。因此，若是以0代表為激發的原子，1代表被激發的原子，則整串原子在調變頻率的過程中，就會從都是0的狀態慢慢轉變成0101…或是1010…的狀態，在這之中每一個原子的狀態都會影響到其他原子的狀態，也就是創造出了處於0101…和1010…的疊加態的一串原子。

然而，在創造出這樣的疊加態的過程中，除了上述兩種想要達到的狀態之外，還會有其他一些能量相近的狀態被造出來，也就是說這串原子可能處於２個狀態以上的疊加態，這些多餘的狀態通常是一串原子的頭尾兩顆原子都被激發（例如1001…或101001…0101等）。所以，他們解決這個問題的方式就是利用另外兩束雷射來降低頭尾兩側最旁邊原子的能量，使頭尾兩側最旁邊的原子無法同時被激發。

要使用上述的方法，必須要非常精準地調控雷射光的頻率、強度、持續時間等，而這種光學的操控技術正是此團隊的專業之一，透過這樣的專業技術，才得以實現在有限的時間內糾纏更多量子位元。

控制糾纏態的技術

利用這樣卓越的光學控制技術，研究團隊還可以操控糾纏的量子態。研究團隊以8個量子位元的系統為例子，首先，按照上述的方法，準備一個糾纏的疊加態，接著，利用兩道雷射光照射頭尾兩側最旁邊的兩個原子（左、右）以改變它們的能量，這樣它們就不會受到之後的操作影響狀態，再來，如前面所述的方法，透過調變照在整排原子上的雷射光之頻率來使整排原子的狀態改變。若對整排原子做反向的調變，系統就會被調回去全部都是0的狀態，只留下兩端的原子，處於01和10的疊加態。此時這兩顆相距甚遠的原子就糾纏在一起了。

於利希研究中心的跨國研究團隊利用他們專業的光學控制技術，展示了一種新的方法，使得在製造大規模糾纏量子態的量子位元組的路上，又前進了一步。他們並且同時展示了控制一個糾纏態系統的方法。他們的研究為量子計算、量子資訊工程、量子計量學等領域的進步帶來很大的貢獻。

參考文獻：

1. Forschungszentrum Juelich, "Schrödinger's cat with 20 qubits: New record with entangled quantum bits," ScienceDaily. ScienceDaily, 13 August 2019.
2. Omran, H. Levine, A. Keesling, G. Semeghini, T. T. Wang, S. Ebadi, H. Bernien, A. S. Zibrov, H. Pichler, S. Choi, J. Cui, M. Rossignolo, P. Rembold, S. Montangero, T. Calarco, M. Endres, M. Greiner, V. Vuletić, M. D. Lukin, “Generation and manipulation of Schrödinger cat states in Rydberg atom arrays,” Science, 2019; 365 (6453): 570 DOI: 10.1126/science.aax9743