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为什么科学家开始研究“铥原子”量子比特？

2025-11-20

文章来源：富泰科技

🧪 为什么科学家开始研究“铥原子”量子比特？
——它可能是下一代量子计算的全能型选手
近几年，量子计算的热门方向有三类：
超导量子比特： 速度最快，但容易“忘事”（相干时间短）
离子阱： 稳定但难扩展
中性原子： 可扩展到几千个，比特数量未来几乎没有天花板
其中，中性原子赛道竞争最激烈的，是铷（Rb）、铯（Cs）、镱（Yb）、锶（Sr）等熟面孔。
然而，一篇 2025 年的研究突然亮出了一个“不太常见”的名字：
👉 铥（Thulium, Tm）

🌟 铥原子为什么值得量子计算界关注？
因为它非常特别：
它把 Rb/Cs 的“稳” 和 Sr/Yb 的“准” 融合在了一起。
✔ 稳：像铯原子一样，铥可以用“微波”编码一个超稳定的量子比特
实验测得的相干时间居然长达：
55 秒！
这在中性原子体系里属于“天花板级别”。
（作为对比，很多超导量子比特的相干时间是几十微秒。）
✔ 准：它同时拥有类似镱/锶的“光钟跃迁（1140 nm）”
这意味着：
读出更干净
操作更精细
能用光学方法做 qudit（多维量子比特）
还能把量子态存到亚稳态里，就像存进“量子移动硬盘”
这类“双态系统”，在量子计算架构里是高级能力。

🧰 这篇论文里，他们到底做成了什么？
作者首次实现：
① 纯度接近完美的初态制备
通过 RF + 微波的组合，把原子制备到 mF=0 超精细态，几乎没有杂质。
② 长达 55 秒的相干时间
通过 Ramsey 和 dynamical decoupling（动态去耦）测得。
这是：
已知中性原子体系中极靠前的结果
超导体系基本没法比
也比很多离子体系更优秀
③ 基态 ↔ 光学亚稳态的相干转移
亚稳态寿命 112 ms，他们成功完成：
单光路转移（但受激光噪声影响）
双色同时转移（激光噪声抵消）
后者的相干性只受自然寿命限制，这非常理想。
这一步，使铥具备了 混合微波–光学操作能力 —— 这是原子体系中极高阶的特性。

🧭 铥适合未来量子计算平台吗？
看完这项研究，答案是：
非常适合。甚至可以说，是隐藏的大热门。
原因包括：
✔ 1. 能和镱原子共存
它们的冷却波长接近 → 天然兼容双物种平台。
这类似 Rb+Cs 双原子平台被认为是最强组合之一。
✔ 2. 能做中性原子 Rydberg 门
他们已经分析了适合铥的两光子 Rydberg 路径。
Rydberg 门是当前中性原子量子计算的“主流两比特门”。
✔ 3. 光镊平台能进一步放大优势
不再受腔镜反射问题困扰
操控效率更高
单原子读出更精准
适合大规模二维阵列
✔ 4. 具有未来 qudit + 量子存储器潜力
这意味着：
可以在同一个原子里存多维信息
也能做更强健的量子误差校正架构
甚至适用于量子网络节点

✨ 总结一句话：
铥原子是一个兼具超长相干时间、丰富光学结构和高可扩展性的“全能型量子比特”。
它让我们看到一种新的可能：
未来的量子处理器，不只是微波体系，也不只是光学体系，而是像铥这样兼容两者的混合体系。