2026年2月19日——在追求强大且稳定的量子计算机过程中，瑞典查尔姆斯理工大学的研究人员基于“巨型超原子”这一全新概念，提出了一种全新量子系统的理论框架。这项突破性成果能以全新方式实现量子信息的保护、控制和传输，或将成为构建规模化量子计算机的关键一步。

量子计算机有望通过解决远超现有计算机能力范围的难题，彻底革新药物研发和加密技术等领域。然而量子计算机的实际应用一直受制于“退相干”这一根本性挑战——量子比特在与环境相互作用时会丢失信息。即使是电磁噪声产生的微小扰动，也可能破坏可靠计算所需的精密量子效应。

“量子系统具有超凡能力但也极度脆弱。使其发挥作用的关键在于控制其与环境的相互作用，”查尔姆斯理工大学应用量子技术博士后研究员杜磊（音译）表示。

作为科学论文的第一作者，杜磊展示了该研究团队提出的全新量子系统理论模型。这个基于巨型超原子概念的系统集成了多重关键特性：既能抑制退相干保持稳定，又由多个紧密互联的“原子”构成协同整体。

巨型超原子融合了两种不同的量子力学结构：巨型原子和超原子。这两种概念近年虽被分别研究，但此前从未结合。它们虽表现如原子，实则是物理学家设计的人工结构。

具有量子回声的巨型原子

巨型原子概念由查尔姆斯研究人员十余年前首创，现已成为该领域标准术语。巨型原子通常被设计为量子信息最小单元——量子比特，其通过多个空间分离的耦合点与光波或声波相互作用，实现多位置同步响应。这种特性使巨型原子能保护量子信息。

“从某个连接点发出的波可经环境传播后，从另一点返回影响原子——就像话未说完就听到自己声音的回声。这种自相互作用会产生有益量子效应，减少退相干并赋予系统历史交互记忆，”该研究合著者、查尔姆斯应用量子物理副教授Anton Frisk Kockum解释道。

实现长距离纠缠态分布

虽然巨型原子已推动量子物理认知，但其利用量子纠缠这一关键现象的能力此前受限。量子纠缠使多个量子比特能共享单一量子态，作为统一系统运作，这是构建强大、规模化量子计算机的前提条件。

研究人员通过将巨型原子与超原子概念结合解决了该难题。超原子是由多个自然原子组成的结构，它们共享量子态并如同单个大原子般协同运作。

这种结合有望更便捷地创建先进量子态，这对未来量子通信、量子网络和高灵敏度传感器至关重要。

“可将巨型超原子视作协同工作的多个巨型原子，展现光与物质间的非局域相互作用。这使得多个量子比特的信息能在单一单元内存储控制，无需日益复杂的周边电路，”杜磊阐述道。

“巨型超原子开启了全新可能性，为我们提供了强大的新工具箱。它能以前所未有的方式控制量子信息并创建纠缠态，”该研究合著者、查尔姆斯应用量子物理教授Janine Splettstoesser补充道。

迈向可扩展量子计算机的关键一步

该成果为构建可扩展且可靠的量子系统开辟了新途径。研究团队计划将理论转化为量子系统的实际制造。该概念还可与其他量子系统结合，例如作为连接多重系统的构建模块。

“当前混合量子系统备受关注，因为不同系统各具优势，”Anton Frisk Kockum指出，“我们的研究表明，巧妙设计能降低对复杂硬件的依赖，巨型超原子让我们向实用化量子技术迈进了一步。”