43、光晶格中的量子计算：原理、实现与应用

光晶格中的量子计算：原理、实现与应用

1. 量子计算基础与光晶格的潜力

量子计算机的潜在强大能力源于其处理纠缠数据的能力。量子算法利用这种能力以及计算路径的干涉可能性，与经典算法相比，可能提高某些计算的效率。然而，在实际物理系统中生成和控制纠缠需要精确控制哈密顿相互作用和高度的相干性。目前，只有少数系统，如俘获离子、腔量子电动力学（QED）和核磁共振（NMR），被实验研究作为实现量子逻辑的候选者。

近年来，超冷受控碰撞被认为是纠缠中性原子的一种可能方式。通过操纵能够存储单个原子的微观势，如磁微阱和光晶格，可以实现受控原子碰撞。在这些系统中，捕获势的形状可以根据原子的内部状态而变化，使得处于特定内部状态的原子通过 s 波散射相互作用。在足够低的温度下，这种相互作用是相干的，可用于实现量子门。

光晶格结合了两个重要特征：一是提供了各种控制手段，允许对捕获原子的内部和外部状态进行高度控制；二是提供了大规模并行性，这是其他系统所不具备的。这些特征使光晶格成为量子计算机的理想原型模型，包括我们期望在未来基于纳米结构的系统中看到的并行处理元素。

2. 中性原子的纠缠机制

通过冷受控碰撞纠缠中性原子的方法主要有两种特定设置：光晶格和磁微阱。这两种设置都提供了并行执行某些多粒子操作的可能性，利用这一特性可以实现高效的量子纠错和容错计算方案。

2.1 冷受控碰撞下的原子纠缠

考虑两个具有两个内部状态的玻色中性原子，它们被保守势捕获并冷却到运动基态。最初，这两个粒子相距足够远，不相互作用。然后，根据原子的内部状态改变势的形状，使得处于特定内部状态的两个粒子相互靠近，通过 s 波散射进行相干相互作用。相互作用后，粒