近日，基于英国摄影先驱威廉 · 塔尔博特发现的一种光学效应，德国物理学家已经开发出一种技术，用于建造高速量子计算机。德国达姆施塔特工业大学Malte Schlosser和Gerhard Birkl领导的团队已将以上成果发表在期刊《Physical Review Letters》上。

图1 Talbot 效应通过激光形成周期性的图案(模拟)。单个原子量子位可以在高强度点(红色)存储和处理。（图片来源：TU Darmstadt/）

与超级计算机相比，量子计算机的理论算力更高。然而，量子计算机的量子位仅有几百个，其中量子位是量子计算的基本单位，而经典计算单位为比特。两者相比，量子位可以同时处理“0”或“1”两个值，因此，量子计算机能够并行执行大量计算。

在实际应用中，量子计算机需要数千乃至数万的量子位，这大大增加了消耗，如激光传输，阻碍了量子计算机的发展。该团队表明，利用光学Talbot效应能将量子位数量增加到超过一万个，并且不需要额外消耗资源。

量子位可以用不同的方式实现。例如，像谷歌这样的科技巨头使用人工制造的超导电路元件。然而，单个原子也非常适合这个目的。为了有针对性地控制它们，单原子量子位必须保持在规则的格子中，类似于国际象棋棋盘。

物理学家通常使用一种“光学晶格”，由规则排列的光点构成，这种光点是激光束相互交叉时形成的。Birkl解释说: “如果你想增加量子位的数量，你也必须相应地增加激光输出。”

该团队以一种创新方式生产光学晶格，它们将激光照射到指甲大小的玻璃元件上，元件上有棋盘型排列的微小光学镜片。每个维透镜聚焦一小部分激光束，从而形成一个容纳原子的焦点平面。

现在，Talbot效应发生在顶部，之前被认为是一个挑战: 焦点层以相同的间隔重复多次; 被称为“自我图像”的东西被创造出来。因此，二维的光学晶格就变成了三维的光点数倍于三维的光学晶格。“我们可以免费得到它,”这项研究第一作者 Malte Schlosser 说，而不需要额外的激光输出。

微透镜的高制造精度导致自像排列非常规则，可用于量子位元。研究人员确实能够用单个原子加载额外的层。随着给定的激光输出，16个这样的自由层被创建，潜在地允许超过10,000个量子位。根据 Schlosser 的说法，传统激光器的功率将提高四倍。

“微透镜领域也可以进一步优化,”Birkl 解释说，比如用更小的透镜创建更多的焦点。因此，，100,000量子位甚至更多都是有可能的。该团队所展示的量子位数量的可扩展性，表明了量子计算机向开发实用迈出的重要一步。

Schlosser 强调，这项技术并不局限于量子计算机。“我们的平台也可能适用于高精度光学原子钟。”他们计划进一步开发其新的量子位平台，并设想在量子技术领域的各种可能的应用。

[1] Malte Schlosser et al, Scalable Multilayer Architecture of Assembled Single-Atom Qubit Arrays in a Three-Dimensional Talbot Tweezer Lattice, Physical Review Letters (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.180601

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https://phys.org/news/2023-06-optical-effect-advances-quantum-atomic.html