2026年6月11日——研究人员正在开发利用量子物理学的新技术，以挑战日常生活和传统方法中的常见约束。目前已开发出多种量子模拟、量子传感器和量子计算机，在某些任务上能够显著优于现有技术。

许多量子技术建立在量子比特的基础上——这些结构以可操作和可解读的方式存储量子态。研究人员和工程师正在探索多种制造和使用量子比特的方法，涵盖超导电路、离子阱、中性原子等平台。这些不同的方法各有优缺点，随着量子技术的发展，这些特点正在被权衡利用。

在2026年6月11日发表于《自然·物理学》期刊的一篇文章中，由JILA研究员Adam Kaufman领导的JILA研究团队，与奥地利因斯布鲁克大学的研究人员合作，报告了展示镱原子作为量子比特多用途性的实验。中性镱原子是一种适应性强的“变色龙”，可以用作多种类型的量子比特，每种类型都具有独特的优势。他们的实验展示了一种量子多用途工具，能够应对量子计算、量子模拟以及对时间的精确测量，同时还能结合每种应用的相关能力。

研究小组聚焦于镱的一种特定同位素——镱-171，它在多种量子应用中具有吸引人的特性。科学家们可以使用激光冷却镱-171原子，将其固定在有序阵列中，并改变它们的量子态。这些原子的特性使它们能够以多种方式作为量子比特发挥作用。在基本层面上，一个量子比特需要一对可区分的状态，这些状态能够存在于称为叠加态的组合中。该团队的实验利用了他们开发的一种方法，在三种不同的量子比特构建方式之间转移量子态。

Kaufman表示：“镱-171长期以来被用于最先进的光学原子钟，而最近它已成为中性原子量子计算的有前景候选者。我们的工作展示了这些方向如何能够结合，并利用量子信息科学中的其他方向，包括量子多体动力学，进行拓展。”

实验中采用的一种量子比特方法基于镱-171原子的状态，这些状态已被用于提供极其精确和可靠计时的原子钟。研究人员将原子的电子置于特定状态，以便于进行非常精确的测量。在原子钟中使用的镱-171的两种不同状态也可以作为量子比特的基础——称为光学量子比特。

镱-171还具有另一种科学家发现有用的电子状态。当研究人员向电子提供额外能量时，他们可以将原子置于称为里德伯态的状态。额外的能量将电子推离原子中心更远。将原子置于里德伯态，使它们从基本不相互作用变为强相互作用，这有助于科学家设计量子模拟并产生纠缠——一种独特的量子现象，其中量子态的演化和命运本质上相互关联。里德伯态与原子钟量子比特中的一种状态结合，可以作为里德伯量子比特。

最后，原子核具有一种固有的量子属性，称为自旋——它就像一个小磁铁，可以指向磁场方向或与之相反。该小组利用核自旋指向相反方向的两种状态作为量子比特的基础，称为核量子比特。由此产生的核量子比特是执行量子计算操作的一种方便且可靠的方式。

由于核量子比特基于原子核的自旋，研究人员可以自由地将电子置于任意选择的状态，这使得团队能够选择原子状态，从而使所有三种量子比特类型共享原子的一种状态。

该小组开发了一种方法，在这些不同的量子比特范式之间移动纠缠量子态。该团队利用了一个事实，即照射特定频率（颜色）的光可以可预测地改变原子的状态，即使原子处于纠缠态。

由于所有三种量子比特都共享其两个定义状态之一，该一半量子比特的叠加态可以翻转到任一种替代量子比特。然后，留在原始量子比特中的另一半可以被移动以完成新的量子比特。由于每对状态对不同频率的光有响应，该团队可以交替使用光束，引导量子比特通过必要的状态转移操作。

研究人员展示了他们可以在不同范式中的量子比特对之间移动多粒子态，然后进行了一项连接三种量子比特类型及其相应应用领域的实验。他们利用量子模拟领域的技术创建了里德伯量子比特的量子态，然后将其传递给核量子比特，在那里执行了量子计算操作以进行轻微调整。最后，他们将这一状态传递给原子钟量子比特，在那里它可能被用于执行与时间和频率相关的测量。该程序展示了镱原子如何成为灵活在模拟、计算和计量之间切换的设备的基础。

该文章的第一作者、JILA研究生Aruku Senoo表示：“这可以在单一原子种类中将量子模拟、量子计算和量子计量连接起来。一旦你制造出这样的系统，如果你开发出量子模拟的技术，你就可以将其应用于量子计算；或者如果你为量子计算开发了状态生成机制，你就可以将其应用于量子计量。”

研究人员还展示了他们可以传输扩展到更大数量量子比特的量子态。因斯布鲁克大学的研究人员从理论上开发了一种方法，计算制造特定量子态（称为格林伯格-霍恩-泽林格态）的最优方式。两个团队合作确定了实验设置所需的光脉冲，以制造一个扩展到尽可能多的量子比特的GHZ态。通过优化的光脉冲，该团队成功一次性制造了多达20个里德伯量子比特的态，然后将其传输到核量子比特。该合作在最近发表于《物理评论快报》期刊的一篇文章中描述了这一技术背后的理论。

为了在状态之间进行转换而增加的额外步骤引入了更多出现错误的机会，但幸运的是，光学量子比特提供了一种测量方法，可以规避实验中出现的许多错误。使用光学量子比特为团队提供了一种改进的方法，用于检测使用里德伯量子比特或核量子比特的任务何时产生了错误，导致原子不再处于有效状态——例如，有时原子会随机释放能量并离开里德伯态。检测到这些错误之一可以让团队丢弃该测量结果，而不是继续使用损坏的结果。

他们展示了检测此类不良实验运行可以提高两个量子比特相互作用的可靠性。使用新技术并丢弃不良结果，他们实现了99.78%的两量子比特门保真度——这是评判量子计算机的关键数值，理想值为100%。

该论文的作者之一、JILA博士后研究员Alexander Baumgärtner表示：“我们展示了我们能够实现非常有竞争力的两量子比特门。这是迄今为止展示的最佳中性原子两量子比特门之一。”

研究人员表示，他们希望未来他们的方法将使量子计算、模拟和计量领域能够互相融合并共享想法。例如，利用量子模拟和计算为量子测量生成有用的状态。

Senoo说：“我们在论文中展示的只是开始。我所兴奋的是推动这一进展。”