瑞典查尔姆斯理工大学的研究团队近日发布了一项全新的量子系统理论框架，旨在攻克量子计算领域最核心的障碍——退相干。通过引入“巨型超原子”（giant superatoms）这一概念，该团队希望能够比现有设计更有效地保护和控制量子信息。
量子计算机有望通过解决当前硅基计算机无法处理的复杂问题，彻底改变加密技术和药物研发等领域。然而，这些系统目前极其脆弱。作为量子计算机的基本构建单元，量子比特（qubit）极易受到环境中微小电磁噪声的干扰，从而导致数据丢失。
“量子系统虽然威力巨大，但也极其脆弱，”查尔姆斯理工大学应用量子技术博士后研究员杜磊（Lei Du，音译）表示，“要让量子计算机真正投入实用，关键在于学会如何控制它们与周围环境的相互作用。”
结合巨型原子与超原子
这项新设计融合了物理学中两个成熟的概念：巨型原子（giant atoms）和超原子（superatoms）。巨型原子作为一种量子比特，可以在多个物理上分离的点与光波或声波连接，从而实现系统在多个位置与环境的同时交互。
“从一个连接点发出的波，在穿过环境后可以回到另一个点，进而影响原子本身——这就像是在你还没说完话之前，就听到了自己的回声，”查尔姆斯理工大学应用量子物理学副教授安东·弗里斯克·科库姆（Anton Frisk Kockum）解释道，“这种自相互作用会产生非常有益的量子效应，不仅能减少退相干，还能让系统具备某种对过往交互的‘记忆’。”
尽管巨型原子加深了学界对量子行为的理解，但此前在纠缠——即连接多个量子比特使其协同工作——方面一直面临挑战。研究人员通过整合“超原子”概念解决了这一问题，即让多个天然原子共享同一个量子态。
通过将这两个概念叠加，团队构建出了一个单一的工程化实体系统。这种结构允许研究人员在单个单元内存储和控制来自多个量子比特的信息，从而避免了对日益复杂的外部电路的依赖。
“巨型超原子可以被视为多个巨型原子协同工作，形成一个单一实体，展现出光与物质之间非局域的相互作用，”杜磊解释说。
该研究的合著者、应用量子物理学教授贾宁·斯普莱特斯托瑟（Janine Splettstoesser）指出，这一进展为该领域提供了一个全新的工具箱。“它们使我们能够以过去极其困难甚至不可能的方式来控制量子信息并实现纠缠，”她说。
目前，研究团队正从理论建模转向构建阶段。他们计划将这些超原子与现有的量子技术相结合，以打造更可靠、更具扩展性的计算平台。
