將量子比特數提升1個數量級，科學家用中性原子製備量子處理器，實現6100個量子比特

近期，美國加州理工學院曼努埃爾·A·恩德雷斯（Manuel A. Endres）教授實驗室發佈了迄今爲止世界上最大規模的量子計算平臺。

研究人員展示了用 12000 個光鑷陣列捕獲 6100 箇中性原子，實現退相干時間 12.6 秒，並且，達到了 23 分鐘的真空壽命。

該結果一經發布，馬上在學術界和工業界引起了震動。一些知名學者稱該研究爲領域內“最偉大的工作”，工業界則認爲該研究“將有可能瓦解比特幣的加密機制”。

該研究預示着量子計算可能在短期內實現，並且有望在可以預計的未來實現落地應用。

（來源：加州理工學院）

如果能夠用量子計算的方式去探索、模擬、瞭解世界，意味着什麼呢？

這說明，人類認知世界的方式發生了本質的變化，我們將進入到一個新的算力爆發的時代。

在此之前，人類對於世界的認知具有一定的侷限。其中一個原因在於，整個世界是一個複雜系統。從微觀的分子原子，到宏觀的天氣系統，其複雜程度遠超現有計算機可以計算模擬的程度。

量子計算的出現，有望解決此前由於計算複雜性、算力不夠等原因而無法突破的問題，爲人類社會和科技發展帶來革命性的改變，包括人工智能、超導、生物醫藥、新材料、加密解密等諸多領域。

例如，包括蛋白質之間分子相互作用等疾病機理研究、藥物研發等方向或將基於此更快地取得突破。

另一方面，人們還可以利用遠超現在所有芯片的算力，來構建前所未有的人工智能大模型，加快實現通用型人工智能的步伐。

近日，相關論文以《具有 6100 個高相干原子量子位元的光鑷陣列》（A tweezer array with 6100 highly coherent atomic qubits）爲題發表在預印本網站 arXiv 上[1]。據悉，該論文目前處於國際頂刊審稿狀態。

加州理工學院碩士研究生漢納·J·曼蒂奇（Hannah J. Manetsch）、野村行平（Gyohei Nomura）、艾力·巴塔伊（Elie Bataille）爲共同第一作者，該校博士後研究員呂旭東和曼努埃爾·A·恩德雷斯（Manuel A. Endres）教授共同負責該項研究。

圖丨相關論文（來源：arXiv）

量子計算現狀：仍處於模擬計算的階段

量子計算是人們一直以來的夢想，最早由美國國家科學院院士、諾貝爾物理學獎獲得者理查德·費曼（Richard Feynman）提出。

它是一種全新的信息處理方式，基於量子力學的原理，與傳統的基於經典物理定律的計算方式截然不同。

具體來說，在經典計算中，信息被編碼在比特上，每個比特或者是 0，或者是 1。而在量子計算中，基本的信息單位是量子比特，它可以同時處於 0 和 1 的狀態，這種狀態被稱爲“量子疊加”。

量子疊加賦予量子計算機處理大量數據的潛力，理論上可以實現比傳統計算機指數級加速的計算速度。量子比特的另一個關鍵特性，是量子糾纏。當兩個量子比特糾纏在一起時，一個量子比特的狀態會即時影響到另一個量子比特的狀態。

與此同時，我們也必須看到，雖然人們對量子計算的期待值很高，但量子計算至今仍未實現實質性的落地應用。

其主要原因在於，量子計算需要複雜的、大規模的量子系統，而現有的一些量子計算在硬件上能夠實現的高質量的比特數量十分有限。

此外，量子計算實現的必要條件是高精度、高準確度，而不可忽視的是，量子比特在實際操作中極易受到噪聲和干擾的影響。

因此，實際上我們一直所處於的是模擬計算階段，並沒有真正地進入到數字計算的時代。

迄今量子比特數最多的量子處理器

需要了解的是，很多物理比特才能組合成爲一個邏輯比特。在行業內公認的實現量子計算的做法是，將量子系統做得更大，然後用量子誤差校正（Quantum Error Correction，QEC）的方式，來降低量子計算的錯誤率。

此前的量子處理器，最多能實現數十到數百量子比特。最近，該領域內有相關報道稱量子系統實現了約 1000 個原子，但其並未定義量子比特或展示相干控制。

“我們實現的量子比特數比以往研究提升了約 1 個數量級，我認爲，這是一個具有里程碑意義的量級進步。”呂旭東表示。

該研究之所以能夠發展出截至目前量子比特數最多的量子處理器，並在各方面都取得較爲理想的效果，與研究人員選擇中性原子的技術路徑密不可分。

1947 年，美國物理學家威廉·肖克利（William Shockley）發明晶體管，取代了計算機設計中的真空管。然而，這些小部件需要半導體材料才能工作。

在經典計算中，最初人們提出半導體的概念後，並不確定具體用哪種材料來製造它。早期的晶體管含有鍺，經過嘗試和對比後，最終選擇了使用硅來製備半導體，正是因爲它可被規模化和集成化。

與之類似，中性原子是一種量子比特的實現方法，包括原子製備、量子受控門操作、量子態測量、誤差糾正和量子存儲等關鍵步驟都可被不斷地提升發展，並且具有極大的可擴展性。

該團隊在每個光鑷中放一個原子，利用 12000 個光鑷捕獲了 6100 個量子比特。

圖丨 a、在 12000 個光鑷陣列上的單個銫原子的代表性單鏡頭圖像；b、在一個 12000 個鑷子陣列上的單個原子的平均圖像（來源：arXiv）

據瞭解，整個系統搭建歷經近三年時間。該團隊將光鑷與偏振結合，通過視場直徑爲 1.5mm 的高數值孔徑物鏡聚焦，爲超高真空中的量子比特捕獲和操作提供了廣闊的區域。

爲最大程度地降低干擾原子的因素、減小光鑷加熱效應，並使其均勻分佈在光鑷中，研究人員在室溫真空腔中設計了一種特別的遠共振波長，從而實現了低損耗、高保真成像和長超精細相干時間的成像。

該系統在製備過程中充滿了挑戰。例如，需要在生成大量的原子後，保證它均勻地分佈在光鑷中，這需要光強達到約 100-200W 左右。對此，論文中這樣描述：這麼強的激光，在冷原子實驗中並不多見，導致的光學組件溫度升高等問題需要解決。

另外，如果原子的壽命很短，那麼整個系統的原子越多，它出錯的概率也會越高，因此還需要儘可能地提升原子的壽命。

圖丨實驗系統示意圖（來源：arXiv）

爲了解決上述該問題，研究人員通過原子冷卻、原子捕獲等一系列方法，對原子進行約 10 毫秒的 2D 偏振梯度冷卻。同時，實驗人員使用極高的真空打造了一個非常乾淨的背景環境，大大避免了背景粒子對於實驗原子的影響。

通過該方法，實驗還實現了原子在光鑷中近 23 分鐘的真空壽命，該指標系在不使用低溫系統的情況下，目前最長的光鑷中原子真空壽命。“我們將整個重要的過程控制在毫秒量級，因此這 20 多分鐘時間幾乎可以不計誤差。”呂旭東表示。

相干時間與保持量子特性緊密相關，研究人員還實現了 12.6 秒的退相干時間。這是截至目前鹼金屬原子在光鑷中的最長退相干時間，與以往研究相比，提升了約 1 個數量級。

與此同時，他們還展示了單個銫原子的成像，並創造了新的記錄。其中，成像存活概率爲 99.98952%，成像保真度爲 99.99374%。

“我們的結果加上重排列和特定的糾錯碼，如果具有約 1 萬個原子量子比特的高保真度的量子計算機是近期可能的前景，爲實現具有數百個邏輯量子比特的量子糾錯提供了一條新路徑。”呂旭東說。

有望開啓量子計算的新紀元

呂旭東本科和博士分別畢業於北京大學物理學院和美國加州大學伯克利分校，博士階段的主要研究方向爲量子精密測量和儀器。

博士期間師從國美國國家科學院院士、美國藝術與科學院院士亞歷山大・派因斯（Alexander Pines）和加州大學伯克利分校化學和生物分子工程學院院長傑夫・裡莫（Jeffrey Reimer）教授。

圖丨呂旭東（第一排右二）與所在課題組（來源：呂旭東）

目前，呂旭東在加州理工學院從事博士後研究，合作導師爲曼努埃爾·A·恩德雷斯（Manuel A. Endres）教授。

該課題組從 2016 年開始，利用中性原子進行量子計算和量子模擬，實現用光鑷捕獲原子，並通過該方法將原子重新排列實現光鑷陣列。近期，他們還開發出一種新方法，讓經典計算機不被完全模擬，也可以預測量子計算機的錯誤率[2]。

“正是團隊此前多年紮實的技術累積，纔有了這次的新成果。”呂旭東說道。

實際上，把原子放在光鑷中很容易產生移動，因爲原子系統比較靈活，任意兩個比特之間可以相互作用。

基於這種優勢，今年年初另一個課題組在中性量子計算平臺上實現了 48 個邏輯比特[3]。

據瞭解，其他平臺從未實現過如此高效率的邏輯比特，這也是一個振奮人心的進展，展示出中性原子路徑的優勢。他表示：“中性原子系統邏輯比特的質量，未來也會越來越高。”

根據論文，下一步，該課題組計劃一方面計劃繼續增加比特數；另一方面，目前 6100 個量子比特在實驗中的位置是隨機的，研究人員打算將它們有序地排列起來。 此外，他們還將探索在量子門電路量子糾錯等方向。

呂旭東認爲，量子計算在量子模擬或模擬材料系統觀測新物態，可能會更早地落地，在人工智能方面也將發揮巨大作用。“我對量子計算持比較樂觀的態度，相信過不了多久就會看到其初步可用。”

該研究的里程碑意義在於，展示了量子處理器系統的可擴展性，一定程度上開創了大規模比特的量子計算的時代。在此基礎上，量子計算有望開啓一個新的紀元。類比於傳統計算機，這有可能是從“真空管時代”到“集成電路時代”轉變的開端。

參考資料：

1.Manetsch, Hannah J., et al. A tweezer array with 6100 highly coherent atomic qubits. arXiv:2403.12021(2024). https://arxiv.org/abs/2403.12021

2.Shaw, A.L., Chen, Z., Choi, J. et al. Benchmarking highly entangled states on a 60-atom analogue quantum simulator. Nature 628, 71–77 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07173-x

3.Bluvstein, D., Evered, S.J., Geim, A.A. et al. Logical quantum processor based on reconfigurable atom arrays. Nature 626, 58–65 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06927-3

排版：劉雅坤

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