“巨型超原子”为量子计算开辟新路径
在我们提出的理论模型中，可以精确控制两个“巨型超原子”之间混合量子态的传输方向。每一个这样的混合态由两个共享同一量子态的原子构成。这些原子拥有多个分立的耦合点，可以同时与光波或声波在不同位置发生相互作用。图示：杜磊，隆德大学
在追求构建稳定且强大的量子计算机的全球竞赛中，瑞典查尔姆斯理工大学的研究人员提出了一种全新的量子系统理论方案。该方案的核心是一种名为“巨型超原子”的创新性量子技术基本构建单元。这一理论突破为量子信息的保护、调控与传输开辟了全新途径，对于未来实现大规模量子计算机具有里程碑式的意义。
量子计算机以其潜在的颠覆性计算能力，有望在未来革新从药物研发到密码学等众多基础科学和关键技术领域。然而，量子计算从理论走向广泛应用，目前仍面临着一系列严峻挑战。其中最为核心的难题便是量子退相干——即量子比特（Qubit）极易与其所处的环境发生相互作用，从而迅速丢失其携带的量子信息。任何最微小的电磁干扰或环境噪声，都可能破坏作为量子技术根基的脆弱量子效应。
“量子系统的潜力巨大，但其本身也极为敏感。要实现对量子信息的可靠存储、操控与传输，关键在于我们能否精确地调控量子效应与其环境之间的相互作用。”查尔姆斯理工大学应用量子物理学系的博士后研究员、本文的第一作者杜磊（Lei Du）解释道。
他与查尔姆斯理工大学的一个研究团队共同提出了一个全新的理论模型，该模型构建在一个他们首创的量子系统之上。这个系统引入了文中定义的新概念——巨型超原子。该量子系统巧妙地结合了两个关键特性：既能有效抑制退相干从而保持稳定性，又包含多个紧密关联、协同工作的“人造原子”。
巨型超原子实际上是两种近年来分别被广泛探索、但此前从未被成功结合的量子力学结构的融合体：巨型原子与超原子。它们的行为类似于原子，但并非天然原子，而是物理学家们如今已能人工构建的固态结构（详见下文解释）。
巨型原子：拥有量子力学“回声”的系统
“巨型原子”这一概念由查尔姆斯理工大学的研究人员在大约十年前首次提出，并已成为该领域的标准术语。巨型原子通常被设计成一个量子比特——即量子信息的最小单元。它最显著的特征是拥有多个与光波或声波导耦合的分立连接点。这意味着它可以同时在空间上分离的多个点与周围环境（例如传输光子的波导）发生相互作用。这种独特的结构为量子信息提供了一种天然的保护机制。
图注： 安东·弗里斯克·科库姆
“想象一下，一个波从一个耦合点出发，沿着波导传播，然后从另一个耦合点返回并与原子再次相互作用——这就像我们在山谷中呼喊后听到自己的回声一样。”查尔姆斯理工大学应用量子物理学讲师、本文的合著者安东·弗里斯克·科库姆（Anton Frisk Kockum）形象地解释道，“这种与自身发出信号相互作用的能力，催生了极具价值的量子效应，因为它能有效地抑制退相干，并使系统对过往的相互作用保持一种‘记忆’。”
实现远距离纠缠：巨型原子与超原子的强强联合
尽管巨型原子已经在量子物理领域带来了许多新颖的发现，但它们在利用另一种至关重要的量子效应——纠缠——方面，能力相对有限。纠缠是指多个量子比特共享同一个量子态，从而作为一个不可分割的整体系统协同工作，这是构建大规模、强大量子计算机的必要条件。
为了突破这一瓶颈，研究人员创造性地将巨型原子与超原子概念相结合。超原子是指一组天然或人造原子，它们通过相互作用形成一种新的量子态，整体行为如同一个放大了的单一原子，对外界的响应强度远高于单个原子。
这种结合使得构建对未来量子通信、量子网络以及高灵敏度传感器至关重要的高级多体量子态变得更为便捷。
“我们可以想象一个由多个巨型原子协同工作构成的巨型超原子，它们表现得如同一个整体。这使得光与物质之间的相互作用不再局限于单个原子的局部位置。”杜磊解释道，“因此，我们能够在单个单元内，利用多个量子比特来存储和调控量子信息，而无需在它们之间构建复杂的额外连接线路。”
查尔姆斯理工大学应用量子物理学教授、本文的另一位合著者贾尼娜·斯普莱托斯泰默（Janine Splettstoesser）补充道：“通过构建巨型超原子，我们能够实现一些全新的量子效应，为我们提供了强大的新工具。我们可以前所未有地精确控制量子信息的流动，并以过去难以实现甚至认为不可能的方式创建远距离纠缠。”
迈向可扩展量子计算机的关键一步
这项理论成果意味着，我们有望构建出既能扩展规模又能稳定运行的实用化量子系统。研究人员希望下一步能将这一理论付诸实践，在实验室中实际制造出这种量子系统。他们的概念设计具有很强的兼容性，可以与其他类型的量子系统结合使用，例如作为连接不同量子计算模块的关键构建单元。
“当前，量子计算领域的一个研究热点是‘混合方法’，即结合不同物理系统的优势，协同工作。”安东·弗里斯克·科库姆总结道，“我们的研究表明，通过精巧的理论设计，可以显著降低对复杂硬件的要求。巨型超原子这一概念让我们距离实现实用的量子技术又近了一大步。”
