新南威尔士大学实现以四种不同方式将数据写入单个原子

传统计算机能以 0 或 1 的形式处理和存储信息，而量子计算机则能以 0 或 1 的形式处理和存储信息，并同时处理和存储两者的叠加。随着量子比特（量子比特）的增加，量子计算机的处理能力将呈指数级增长，从而使它们能够解决对普通计算机来说过于复杂的问题。

问题是，操纵这些量子比特可能很棘手，尤其是当量子计算机开始使用越来越多的量子比特时。但现在，悉尼新南威尔士大学（UNSW）的科学家们展示了如何根据每次的需要，以四种不同的方式将数据写入量子比特（这里指的是单个原子）。

这种原子是一种叫做锑的元素，它可以被植入硅芯片中，取代其中的一个硅原子。之所以选择这种重原子，是因为它的原子核已经包含了八个独立的量子态，可以用来编码量子数据。此外，它的电子本身也有两个量子态，这就使锑原子中的量子态总数增加了一倍，达到了 16 个（原来的 8 个量子态中的每一个，都与电子的两个量子态依次配对）。如果使用其他材料来制造一台具有 16 种状态的量子计算机，则需要四个耦合在一起的量子比特。

不过，这项研究的真正突破在于研究小组如何利用四种不同的方法来操纵原子上的数据。通过振荡磁场可以控制电子。磁共振方法，如核磁共振成像仪中使用的方法，可以操纵原子核的自旋。电场也可以用来控制原子核。最后，一种被称为"翻转位"的技术可以在电场的帮助下控制原子核和电子。

研究小组表示，这项研究将有助于使量子计算机变得更"密集"，在更小的空间中容纳更多的量子比特。

这项研究的第一作者安德烈亚-莫雷罗教授说："我们正在投资一项更难、更慢的技术，但原因非常好，其中之一就是它能够处理的信息密度极高。在1平方毫米内有 2500 万个原子是很好的，但必须一个接一个地控制它们。我们可以灵活地利用磁场、电场或它们的任何组合来控制原子，这将为我们在扩大系统规模时提供很多选择。"

下一步，研究小组计划利用这些原子对逻辑量子比特进行编码，最终为更实用的量子计算机铺平道路。

这项研究发表在《自然通讯》杂志上。