1900 年，德國(guó)物理學(xué)家普朗克（Max Planck）提出量子概念，打開了量子世界的大門。基于量子學(xué)說(shuō)而誕生的量子計(jì)算機(jī)擁有高出普通計(jì)算機(jī)數(shù)十甚至數(shù)百倍的算力，是吸引了無(wú)數(shù)科技公司、大型學(xué)術(shù)團(tuán)體乃至中國(guó)政府的研究熱點(diǎn)。

其中，在普通的日常計(jì)算機(jī)中，信息的基本單位是位（Bit）。所有這些計(jì)算機(jī)所做的事情都可以被分解成 0s 和 1s 的模式，以及 0s 和 1s 的簡(jiǎn)單操作。與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)由比特構(gòu)成的方式類似，量子計(jì)算機(jī)由量子比特（quantum bits）或量子位（qubits）構(gòu)成，一個(gè)量子比特對(duì)應(yīng)一個(gè)狀態(tài)（state）。但是，比特的狀態(tài)是一個(gè)數(shù)字（0 或 1），而量子比特的狀態(tài)是一個(gè)向量。更具體地說(shuō)，量子位的狀態(tài)是二維向量空間中的向量。這個(gè)向量空間稱為狀態(tài)空間。

相較于經(jīng)典計(jì)算，基于量子比特特性的量子計(jì)算機(jī)優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn)。經(jīng)典計(jì)算機(jī)中的2位寄存器一次只能存儲(chǔ)一個(gè)二進(jìn)制數(shù)，而量子計(jì)算機(jī)中的2位量子比特寄存器可以同時(shí)保持所有4個(gè)狀態(tài)的疊加。當(dāng)量子比特的數(shù)量為n個(gè)時(shí)，量子處理器對(duì)n個(gè)量子位執(zhí)行一個(gè)操作就相當(dāng)于對(duì)經(jīng)典位執(zhí)行2n個(gè)操作，這使得量子計(jì)算機(jī)的處理速度大大提升。可以說(shuō)，量子計(jì)算機(jī)最大的特點(diǎn)就是速度快。

也就是說(shuō)，隨著量子處理器的規(guī)模擴(kuò)大，每增加一個(gè)量子位，空間復(fù)雜度（執(zhí)行算法所需的內(nèi)存空間量）就會(huì)加倍，從而使經(jīng)典計(jì)算機(jī)能夠可靠地模擬量子電路，而空間復(fù)雜度加倍帶來(lái)的好處就是讓人們進(jìn)入超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)能力的領(lǐng)域。

但顯然，這不是一個(gè)容易的過(guò)程。此前，用于量子計(jì)算的中性原子體系只局限于單個(gè)原子元素陣列。但由于陣列中的每個(gè)原子都具有相同特性，因此要在不干擾相鄰原子的情況下，測(cè)量單個(gè)原子是極其困難的。

現(xiàn)在，芝加哥大學(xué)普利茲克分子工程學(xué)院助理教授Hannes Bernien所帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了一個(gè)由銣原子和銫原子構(gòu)成的雙元素中性原子陣列，可以單獨(dú)控制每個(gè)原子，實(shí)現(xiàn)了首個(gè)由512個(gè)量子位組成的中性原子體系。

要知道，目前，谷歌和IBM公司的量子計(jì)算機(jī)由超導(dǎo)電路構(gòu)成，只達(dá)到約130個(gè)量子位。盡管芝加哥大學(xué)團(tuán)隊(duì)的設(shè)備還不算是量子計(jì)算機(jī)，但由原子陣列制成的量子計(jì)算機(jī)將更容易擴(kuò)大規(guī)模，帶來(lái)一些新的突破。

在由兩種不同元素的原子組成的混合陣列中，相鄰兩個(gè)原子可以是不同元素，具有完全不同的頻率。這使得研究人員更容易測(cè)量和操作單個(gè)原子，而不受周圍原子的干擾。芝加哥大學(xué)團(tuán)隊(duì)使用512個(gè)光鑷捕獲銣原子、銫原子各256個(gè)，并觀察到兩個(gè)元素之間的干擾能夠忽略不計(jì)。

這種原子陣列的混合特性也為許多應(yīng)用打開了大門，這些應(yīng)用無(wú)法通過(guò)單一元素原子實(shí)現(xiàn)。正如Bernien所表示的，“我們的工作已經(jīng)啟發(fā)理論學(xué)家為此思考新的量子協(xié)議，這正是我所期望的。”