能否在单个量子粒子中同时集成超精密时钟、计算处理器和物理过程模拟器？博尔德联合天体物理实验室（JILA）的物理学家与因斯布鲁克大学的同行通力合作，证明了这一构想的可行性。他们基于镱-171原子研制出一种量子“多功能工具”，这种原子能够根据激光指令随时切换功能角色。
长期以来，量子技术始终处于并行发展的状态。一些科学家致力于构建用于计算的量子比特，另一些则专注于模拟复杂系统，还有人致力于研制光学钟。问题的关键在于，不同的应用任务往往需要迥异的物理特性。
由亚当·考夫曼（Adam Kaufman）领导的团队提出了一个精妙的解决方案。他们利用了镱原子的三对能态，这些能态共享一个通用的“锚定”状态。通过向原子发射特定频率的激光脉冲，研究人员能够在不丢失数据的前提下，将量子叠加态从一种模式瞬间转移到另一种模式。
同一个原子现在可以扮演三种角色：
- 核量子比特：利用几乎不受外界干扰的原子核自旋，实现信息的可靠存储。
- 里德堡量子比特：通过强激发电子产生，使原子间能够快速相互作用以进行计算。
- 光学量子比特：利用原子钟所用的能级，这是进行极高精度测量所必需的。
在实验过程中，科学家们展示了完整的运行周期。他们成功将多达20个原子置于纠缠态，并以99.78%的精度执行了双量子比特操作。如果在模式切换过程中出现错误，系统会通过光学监测手段及时捕获并剔除失败的运行数据。
展望未来，这种多功能性有望打破量子计算与精密计量学之间的界限。工程师们将不再需要在系统的稳定性和运行速度之间做艰难抉择。将三种模式集成到同一个平台，可能会显著加速实用型量子计算机的问世，使其能够在不更换复杂硬件设备的情况下解决实际应用问题。
