“巨型超原子”或能最終解決量子計算的最大難題

瑞典查爾姆斯理工大學的研究人員提出了一種全新的量子系統理論——基於“巨型超原子”的概念。這一突破有望解決量子計算領域長期面臨的最大挑戰：退相干問題。退相干是指量子位元（qubit）因與環境相互作用而丟失資訊，是構建可靠量子計算機的主要障礙。巨型超原子透過將巨型原子和超原子融合，提供了一種全新的方式來保護、控制和分發量子資訊，為大規模量子計算機的實現鋪平了道路。

巨型超原子並非自然界中存在的原子，而是由科學家精心設計的人工系統。巨型原子（giant atom）的概念早在十年前就由查爾姆斯理工大學的研究人員提出，目前已在量子領域廣泛應用。巨型原子通常設計為量子位元，其特點是能在多個物理分離的點上與光或聲波連線，從而以多點方式與環境互動，有助於保留量子資訊。這種自相互作用會產生類似“量子回聲”的效應，減少退相干並使系統具有記憶功能。然而，巨型原子在實現糾纏（entanglement）方面存在侷限，而糾纏是量子計算機實現強大計算能力的關鍵。

為了克服這一侷限，研究團隊將巨型原子與超原子（superatom）概念結合。超原子由多個自然原子組成，它們共享同一量子態，並作為一個整體行事。這種結合使得多個巨型原子能夠協同工作，形成單一的“巨型超原子”實體。該結構展現出光與物質之間的非局域相互作用，允許來自多個量子位元的量子資訊在一個單元記憶體儲和控制，無需複雜的附加電路。

研究團隊描述了兩種不同的連線方式以實現有用功能。在第一種配置中，多個巨型超原子緊密連線，使量子態可以在其間無退相干地傳遞。第二種配置中，原子間距較大但透過精心調諧的連線保持波同步，從而能夠導向量子訊號並在遠距離上分佈糾纏。這些發現表明，巨型超原子與光的相互作用方式取決於其內部量子態，為控制量子資訊流提供了新的手段。

目前，研究人員正計劃從理論轉向實際構建這些系統。他們的設計還可以與其他量子技術整合，作為連線不同量子平臺的構建塊。查爾姆斯理工大學的教授Janine Splettstoesser表示：“巨型超原子為我們開啟了一扇全新能力的大門，提供了強大的工具箱。它們使我們能夠以前所未有的方式控制量子資訊和建立糾纏。”相關研究發表在《物理評論快報》上，該工作得到了多個研究基金的支援。