能否在單一量子粒子中，同時整合超精密時鐘、運算處理器以及物理過程模擬器？位於博爾德的 JILA 實驗室物理學家與因斯布魯克大學的同僚合作，證明了這項構想的可行性。他們以鐿-171 原子為基礎，開發出一種量子「多功能工具」，這些原子能根據雷射指令切換其功能角色。
長期以來，各項量子技術一直處於平行發展的狀態。有的科學家致力於打造運算用的量子位元，有的則專注於模擬複雜系統，還有的在研發光學原子鐘。問題在於，不同的任務往往需要迥異的物理特性。
由亞當·考夫曼（Adam Kaufman）帶領的團隊提出了一個優雅的解決方案。他們利用了鐿原子的三對能階狀態，而這些狀態都共享一個共同的「錨點」狀態。藉由向原子發射特定頻率的雷射脈衝，研究人員能將量子疊加態在不同模式間瞬間轉移，且不會遺失數據。
同一個原子現在能以三種身分運作：
- 原子核量子位元：利用幾乎不受外界干擾的核心自旋來可靠地儲存資訊。
- 芮得柏量子位元：透過強烈激發電子產生，讓原子間能快速互動以執行運算。
- 光學量子位元：採用原子鐘所使用的能階，這對於進行極精密的測量至關重要。
在實驗過程中，科學家展示了完整的運作週期。他們成功讓多達 20 個原子進入糾纏態，並以 99.78% 的準確率執行雙量子位元運算。若切換過程中出現錯誤，系統會透過光學監控進行偵測，並剔除失敗的運作結果。
展望未來，這種多功能特性將有助於抹除量子運算與精密計量學之間的界限。工程師將不再需要在系統穩定性與運行速度之間左右為難。在單一平台上整合三種模式，可顯著加速實用量子電腦的開發，使其無需更換繁雜設備即可解決現實世界的應用課題。
