陈根：量子计算新突破，512量子位

普通计算机中，信息的基本单位是位（Bit）。所有计算都可以分解成0和1的模式，并通过0和1的简单操作来完成。与普通计算机以比特为基本单位类似，量子计算机以量子比特（quantumbits）或量子位（qubits）为基本单位，一个量子比特对应一个状态（state）。但是，比特的状态是数字（0或1），而量子比特的状态是一个二维向量空间中的向量。这个向量空间被称为状态空间。

与经典计算相比，基于量子比特特性的量子计算机具有明显的优势。经典计算机的两个比特寄存器只能存储一个二进制数，而量子计算机的两个量子比特寄存器可以同时保持四个状态的叠加。当量子比特的数量为n时，量子处理器对n个量子位执行一次操作相当于对经典位执行2n个操作，大大提升了处理速度。可以说，量子计算机最大的特点就是速度快。

然而，随着量子处理器规模的扩大，每增加一个量子位，空间复杂度（执行算法所需的内存空间）就会加倍。这让经典计算机能够可靠地模拟量子电路，进入超越经典计算机的领域。但是，这并不是一个容易的过程。

在以前，用于量子计算的中性原子体系只限于单个原子元素阵列。但由于阵列中的每个原子具有相同的特性，所以在不干扰相邻原子的情况下测量单个原子是非常困难的。

现在，芝加哥大学普利兹克分子工程学院的HannesBernien助理教授带领的团队创造了一个由铷原子和铯原子构成的双元素中性原子阵列，可以单独控制每个原子，实现了由512个量子位组成的中性原子体系。

目前，谷歌和IBM公司的量子计算机由超导电路构成，只有大约130个量子位。尽管芝加哥大学团队的设备尚未达到量子计算机的水平，但由原子阵列制成的量子计算机更容易扩大规模，带来一些新的突破。

在由两种不同元素的原子组成的混合阵列中，相邻的两个原子可以是不同的元素，具有完全不同的频率。这使得研究人员更容易测量和操作单个原子，而不受周围原子的干扰。芝加哥大学团队使用了512个光镊捕获的铷原子和铯原子，并观察到两个元素之间的干扰可以忽略不计。

这种由两种不同元素原子组成的混合阵列的特性为许多应用提供了机会，这些应用在单一元素原子中无法实现。正如Bernien所说，“我们的工作已经启发理论学家思考新的量子协议，这正是我期望的”。