如果我們想要量子電腦，我們將需要一個複雜的量子糾纏粒子系統——這些粒子本質上是相互連結的，這樣一個粒子發生的任何事情都會立即影響另一個粒子。
當然，說起來容易做起來難，但是一個物理學家團隊剛剛透過創建 20 位元量子暫存器突破了一個令人興奮的里程碑。
量子位，或稱量子位，是基本構建塊量子計算，就像比特是傳統計算的構建塊一樣。
但它們面臨的挑戰是，它們依賴亞原子粒子的幽靈般的能力，能夠同時以多種狀態存在。
常規位元可以以兩種狀態存在 - 1 或 0。糾纏它們可以存在於兩種狀態的疊加中，而不是像位元那樣存在於其中一種或另一種狀態。
這將使計算機比我們目前使用的計算機更快、更強大。
但那是僅當量子位元可以組合時創建一個登記具有良好特徵的糾纏量子位元。
具有可單獨尋址量子位元的量子暫存器的先前記錄是在 2011 年創下的，當時來自賴納·布拉特奧地利因斯布魯克大學實驗物理研究所實驗室糾纏 14 個可單獨尋址的量子位元首次。
現在，布拉特和一群物理學家和理論家已經建立了一個由 20 個量子位元組成的系統，其量子態可以單獨控制。
在這個實驗中，20 個排列成一條線的帶電鈣原子或離子作為量子位，並使用一系列雷射將它們糾纏在一起。
（IQOQI 因斯布魯克/Harald Ritsch）
研究團隊能夠讓鈣離子與系統中的兩個、三個、有時甚至四個其他鈣離子糾纏在一起。
這並不是第一次有如此多的粒子糾纏在一起，但令人興奮的是該團隊能夠單獨讀取和尋址每個量子位元。
“在超冷氣體等量子系統中，已經檢測到大量粒子之間的糾纏，”說主要作者尼古拉·弗里斯，維也納奧地利科學院物理學家。
還有早期階段的量子計算機可以支援更多的量子位元，例如 IBM 的量子計算機50量子位機和谷歌的72 量子位元 Bristlecone。
但在這些情況下，量子位元的各個量子態是無法控制的，系統也無法讀取各個量子位元。
為了克服這個問題，團隊使用了離子阱使用磁場限制鈣離子。然後，他們使用雷射糾纏離子，創建了一個 20 量子位元系統，每個量子位元都被編碼成被捕獲原子離子的電子態。
然而，涉及多個粒子的糾纏系統不能被描述為單一粒子，而只能被描述為一個整體的糾纏多粒子系統。
這使得檢測變得困難——因此團隊必須設計一種檢測多粒子糾纏的客製化方法。
“粒子首先成對糾纏，”資深作者 Ben Lanyon 解釋道來自奧地利科學院。他的團隊與德國烏爾姆大學的研究人員一起工作。
“透過我們的同事維也納和烏爾姆開發的方法，我們可以證明糾纏進一步擴散到所有鄰近的粒子三重態、大多數四重態和一些五重態。”
烏爾姆和維也納的學者開發了兩種不同的方法。
維也納團隊開發了一種僅使用少量測量結果且易於評估的方法。此方法用於同時檢測寄存器中最多三個粒子的糾纏。
烏爾姆團隊採用了更複雜但更有效的數值方法。它能夠一次偵測到多達五個粒子的糾纏。使用這些方法，他們能夠顯示所有 20 個量子位元都處於糾纏狀態。
但該團隊相信，他們設計的方法可用於創建更大的量子暫存器，而且由於量子位元可以單獨讀取，因此它將適用於量子模擬和量子資訊處理等應用。
“我們的中期目標是 50 個粒子，”布拉特說。 “這可以幫助我們解決當今最好的超級電腦仍然無法解決的問題。”
該研究已發表在期刊上物理評論X，可以在其中全文閱讀。
