量子计算进入原子领域

最近，由超冷原子阵列构建的量子计算机成为了一个有力的竞争者，它将致力于创建性能优于经典计算机的量子比特驱动机器。虽然其他硬件架构已经产生了第一个可通过云进行编程的全功能量子处理器，但最近的发展表明，在未来的可伸缩性方面，基于原子的平台可能具有优势。

基于原子的平台的可扩展性优势源于光子技术在冷却、捕获和操纵原子量子位方面的独占性。

这种可扩展性优势源于光子技术的专用性，即冷却、捕获和操纵原子量子位。由于需要复杂的低温系统或复杂的芯片制造，中性原子量子计算机在很大程度上可以从已经优化了精度和可靠性的现有光学组件和系统构建而成。

美国普林斯顿大学物理学家杰夫·汤普森（Jeff Thompson）说：“陷阱是光镊，原子是用激光束控制的，成像是用相机完成的。”他的团队一直致力于建立基于镱原子阵列的量子计算机。“平台的可扩展性仅限于光学系统的工程设计，整个光学元件和百万像素设备行业的大部分工作已经完成。”

关键组件和系统的现成可用性使学术团体和商业公司能够在短短几年内将其量子处理器从几十个原子量子位扩展到几百个。然后，在2023年11月，总部位于加利福尼亚州的初创公司Atom Computing宣布，它已经为其商业系统的改进版本填充了近1200个量子位，比任何硬件平台都多。“能够展示我们过去几年一直在开发的解决方案真是令人兴奋，”本·布鲁姆（Ben Bloom）表示，他于2018年创建了该公司，现任首席技术官。“我们在这一过程中取得了一些第一，但在我们不断建设的过程中，这一领域变得越来越令人惊叹。”

大规模原子阵列

中性原子为量子信息编码提供了许多吸引人的特性。首先，它们都是相同的，完全没有任何可能通过制造引入的缺陷，这意味着它们可以被控制和操纵，而不需要调谐或校准单个量子位。它们的量子状态和相互作用也得到了很好的理解和表征，而叠加和纠缠等关键的量子特性在足够长的时间尺度上保持，以执行计算任务。

然而，早期从中性原子构建量子计算机的尝试遇到了两个主要困难。首先是需要扩展现有的在光镊中捕获单个原子的方法，以创建大规模原子阵列。尽管空间光调制器等技术使激光束能够用于产生规则的微陷阱图案，但将原子加载到镊子中是一个随机过程，这意味着每个陷阱被占用的概率为50%。因此，创建一个包含大量原子的无缺陷阵列的可能性变得非常小。

2016年，法国Optique研究所、美国哈佛大学和大韩民国韩国高级科学技术研究所（KAIST）的三个独立小组展示了一种称为重组的概念，从而找到了解决方案。在这个方案中，当原子第一次被加载到镊子中时，会拍摄原子的图像，以确定哪些位置被占据，哪些位置是空的。关闭所有空闲陷阱，然后移动加载的陷阱以填充阵列中的间隙。例如，可以通过使用声光偏转器来改变捕获激光束的位置，创建动态光镊，结合实时控制，在不到一秒钟的时间内组装大型单原子阵列，从而实现这种洗牌过程。

汤普森回忆道：“在此之前，在光镊中产生单原子态有很多复杂的想法。”。“这种重排技术使含有100个左右无缺陷单原子的大型阵列得以创建，并已扩展到更高的数量。”

高保真纠缠态

在这些原子阵列中，量子比特被编码成两种长寿命的能量状态，并由激光控制。例如，在铷中，最外层的单个电子占据基态中两个不同能级中的一个，这是由电子自旋和核自旋之间的耦合引起的，因为铷的原子跃迁可以相对容易地操作，所以经常被使用。原子可以通过相对翻转自旋在这两种能量状态之间轻松切换，这是通过调谐到6.8GHz的微波脉冲实现的。

虽然这些稳定的低能级原子具有优异的单量子比特特性，但构成数字计算基础的门操作要求量子比特相互作用并形成纠缠态。由于镊子阵列中的原子相距太远，在保持基态时无法相互作用，因此使用聚焦激光束将最外层的电子激发到更高的能量状态。在这些高激发的里德堡态中，原子在物理上变得更大，在亚微秒时间尺度上产生强烈的原子间相互作用。

这些相互作用的一个重要影响是，里德堡原子的存在改变了其最近邻原子的能级，阻止它们被激发到相同的高能状态。这种现象被称为里德堡阻塞，意味着只有一个被激光激发的原子会形成里德堡态，但不可能知道是哪一个。这种共享激发是纠缠的特征，为控制阵列中相邻原子之间的双量子比特操作提供了有效机制。

然而，直到最近，通过双原子纠缠创建的逻辑门还容易出错。汤普森说：“长期以来，两量子比特操作的保真度徘徊在80%左右，远低于超导或陷阱离子平台所能达到的保真率。”。“这意味着中性原子在基于网关的量子计算中并没有得到真正的重视。”

直到2018年，Antoine Browaeys及其同事在哈佛大学Optique研究所和Mikhail Lukin团队的突破性工作分析了激光噪声对门可信度的影响，这些错误的来源才被完全理解。汤普森说：“人们一直在使用非常简单的激光噪声模型。”。“通过这项工作，他们发现相位波动是导致高错误率的主要原因。”

这两组科学家一下子表明，抑制激光相位噪声可以延长里德堡态的寿命，并将制备两量子比特纠缠态的保真度提高到97%。此后的进一步增强使双量子比特门的保真度超过99%，这是容错量子计算的最小阈值。

虽然铷仍然是一个受欢迎的选择，但一些团体认为镱可以为大规模量子计算提供一些关键的好处。

对容错的追求

这一根本性进展使原子量子位成为数字量子计算的竞争平台，推动学术团体和量子初创公司探索和优化不同原子系统的性能。虽然铷仍然是一个受欢迎的选择，但一些团体认为镱可以为大规模量子计算提供一些关键的好处。汤普森解释说：“镱的核自旋为一半，这意味着量子比特可以完全在核自旋中编码。”。“虽然所有基于原子或离子的量子比特在默认情况下都具有良好的相干性，但我们发现纯核自旋量子比特可以在不需要任何特殊措施的情况下保持许多秒的相干时间。”

2022年，汤普森的普林斯顿小组以及亚当·考夫曼（Adam Kaufman）领导的团队在美国科罗拉多州博尔德的JILA进行了开创性实验，首次显示了镱-171同位素产生长寿命原子量子位的潜力。其他公司也纷纷效仿，在升级后的1200-qubit平台上，Atom Computing用镱-171取代了其原型机中的锶原子。布鲁姆说：“锶也支持核量子比特，但我们发现我们需要做大量的量子工程来实现长相干时间。”。“使用镱，我们可以实现几十秒的相干时间，而无需任何额外的技巧。”

镱丰富的能级结构还提供了从基态到更大范围的原子跃迁的途径，为操纵和测量量子态提供了新的方法。例如，早期的实验表明，这种额外的灵活性可以在量子电路运行时用来测量一些量子位，但不会干扰仍在用于逻辑运算的量子位。

事实上，执行这些中间电路测量的能力是新兴方案定位和纠正系统中物理错误的关键要求，迄今为止，这些物理错误已经损害了量子计算机执行复杂计算的能力。这些物理错误是由干扰精细量子态的噪声和环境因素引起的，早期估计表明可能需要数百万物理量子位来提供实现容错量子处理所需的冗余。

然而，最近有一点很清楚，如果物理系统能够被设计来限制错误的影响，那么可能需要更少的量子比特。一种有希望的方法是擦除转换的概念，该概念由美国耶鲁大学汤普森和施鲁蒂·普里领导的团队于2023年末提出，在该团队中，物理噪声被转换为已知位置的错误，也称为擦除。

在他们的方案中，量子比特被编码在镱的两个亚稳态中，对于这两个亚稳定态，大多数错误都会导致它们衰变回基态。重要的是，这些跃迁可以很容易地被检测到，而不会干扰仍处于亚稳态的量子比特，从而可以在量子处理器仍在运行时发现故障。汤普森解释说：“我们只是在几次门操作后用光闪烁原子阵列，任何返回的光都会照亮错误的位置。”。“只要能看到它们在哪里，就可以最终将纠错所需的量子比特数减少十倍。”

普林斯顿大学研究人员的实验表明，他们的方法目前可以定位单量子比特门中56%的错误和双量子比特操作中33%的错误，然后可以丢弃这些错误以减少物理噪声的影响。该团队目前正在努力提高使用这些亚稳态进行双量子比特操作时可以达到的保真度，目前保真度为98%。

查看逻辑量子位

与此同时，卢金的哈佛团队与几位学术合作者和波士顿的创业公司QuEra Computing合作，可以说是迄今为止最接近错误纠正量子计算的方法。向前迈出的关键一步是使用所谓的逻辑量子位，它通过在多个物理量子位之间共享量子信息来减轻错误的影响。

之前在其他硬件平台上的演示已经产生了一个或两个逻辑量子位，但Lukin和他的同事在2023年底表明，他们可以从280个原子量子位中创建48个逻辑量子位。他们使用光学多路复用技术，用相同的光束照亮逻辑量子位内的所有铷原子，使每个逻辑块都可以作为一个单元进行移动和操作。由于逻辑块中的每个原子都是独立寻址的，因此这种硬件高效的控制机制可以防止物理量子位中的任何错误升级为逻辑错误。

为了对这些逻辑量子位进行更大规模的处理，研究人员还将其体系结构划分为三个功能区。第一种是用于存储和操作逻辑量子位，以及一个物理量子位库，可以根据需要调动，确保这些稳定的量子状态与硬件其他部分的处理错误隔离。然后，可以将成对的逻辑量子位移动或“穿梭”到第二纠缠区，在该纠缠区中，单个激发激光器驱动两个量子位门操作，保真度超过99.5%。在最终读出区域中，在不影响正在进行的处理任务的情况下测量每个门操作的结果。

该团队还配置了在逻辑处理器上运行的防错量子电路，在一个示例中，当操作10个逻辑量子位时，保真度为72%，当每次操作结束时在读出区检测到的门错误被丢弃时，保真度增加到99%。当运行需要数百个逻辑门的更复杂的量子算法时，如果使用逻辑量子比特而不是单原子量子比特，性能会提高10倍。

虽然这还不是完全的错误纠正，这需要实时检测和重置故障，但本演示演示了逻辑处理器如何与防错软件协同工作，以提高量子计算的准确性。通过在更多物理量子位之间共享量子信息，可以进一步提高可信度，QuEra的技术路线图表明，到2026年，它将使用多达10000个单原子来生成100个逻辑量子位。卢金评论道：“随着量子纠错和容错的基本思想开始产生成果，这在我们的领域是一个真正令人兴奋的时刻。”。“尽管前面仍有挑战，但我们预计这一新进展将大大加快大规模实用量子计算机的发展。”

未来的可扩展性

在另一个值得注意的发展中，QuEra还赢得了一份数百万美元的合同，在英国国家量子计算中心（NQCC）建造这种逻辑处理器的一个版本。到2025年3月，QuEra系统将成为国家实验室将安装的七台原型量子计算机之一，其他包括来自Infleqtion（前身为ColdQuanta）的基于铯的中性原子系统，以及利用超导量子比特和俘获离子的平台。

一旦建成，这些开发平台将用于理解和基准测试不同硬件架构的能力，探索适合每种架构的应用程序类型，并解决阻碍容错量子计算的关键扩展挑战。“我们知道，需要更多实际的研发来弥补当前可用平台和具有数百个逻辑量子位的完全纠错的中性原子量子计算机之间的差距，”负责NQCC镊子阵列量子计算活动的Nicholas Spong说道。“对于中性原子结构，缩放能力实际上取决于光学、激光器和控制系统的工程设计。”

硬件开发人员的一个关键目标是，随着单个原子越来越紧密地封装在阵列中，实现控制其自旋旋转所需的精度。虽然全球光场和量子比特穿梭为体操作提供了高效和精确的控制机制，但单原子过程通常必须由几十纳米尺度的聚焦激光束驱动。

为了放宽这些局部激光束的严格性能标准，汤普森的研究小组展示了一种适用于镱等二价原子的替代解决方案。他解释说：“我们仍然有一个全局门光束，但我们通过使用聚焦激光束将特定原子移出与全局光场共振的位置，来选择哪些原子经历了该门。”。“实际上，光位移有多大并不重要，这意味着这种方法对激光的变化更为稳健。以这种方式控制小原子团比移动它们要快得多。”

另一个关键问题是镊子阵列中可以安全容纳的单个原子数量。目前的路线图表明，可以通过增加激光功率来实现包含10000个原子的阵列，但要将其扩大到更高的数量可能很困难。“在保持整个阵列的一致性的同时，将数百瓦的激光功率注入陷阱是一个挑战，”Spong解释道。“整个陷阱阵列应该是相同的，但不完美的光学系统使得边缘陷阱和中心陷阱很难工作。”

补充原子供应

考虑到这一点，Atom Computing团队在其更新的平台上部署了额外的光学技术，以提供通往大型机器的途径。布鲁姆说：“如果我们想从100到1000个量子比特，我们本可以买一些真正大的激光器。”。“但我们想走上一条轨道，在那里我们可以继续将阵列扩展到数十万甚至一百万个原子，而不会遇到激光功率问题。”

原子计算的解决方案是将光镊提供的原子控制与光学晶格的捕获能力相结合，光学晶格是世界上最精确的原子钟中最常见的原子。这些光学晶格利用激光束的干涉，在亚波长尺度上创建一个势阱网格，通过添加光学组合腔，在多个反射激光束之间产生构造性干涉，可以进一步提高其性能。布卢姆说：“利用这些真空光学元件，我们可以用适度的激光功率制造出大量的深陷阱。”。“我们选择展示一种能够捕获1225个镱原子的阵列，但我们没有理由不能更高。”

重要的是，在对通常的重排方法的修改中，这种设计还允许在处理器运行时不断地重新加载原子阵列。磁光阱中的原子首先被加载到一个小的储存阵列中，然后从中转移到用于计算的目标阵列中。然后，两个阵列中的原子都被移动到光学晶格的深俘获势中，在那里快速低损耗的荧光成像确定占据了哪些位置。然后，将原子返回光镊，使目标阵列中的空位从储液罐中填充，多次加载循环产生99%的占用率。

该领域的研究人员相信，进步的步伐已经将该技术推向了中性原子量子计算机将超越经典计算机的那一天。

用新原子反复补充储库可以确保目标阵列始终充满量子位，这对于防止复杂量子算法执行过程中的原子损失至关重要。布鲁姆说：“大规模的错误修正计算需要量子信息才能在超过单个量子比特的寿命时存活很久。”。“当你有几十万个量子比特时，这一切都是关于保持计算的。”

虽然仍存在许多挑战，但该领域的研究人员认为，近年来的进展速度已经将该技术推向了中性原子量子计算机能够超越经典机器的那一天。布鲁姆说：“中性原子使我们能够达到大量的量子比特，获得令人难以置信的长相干时间，并获得新的纠错码。”。“作为一家工程公司，我们致力于进一步提高性能，因为真正重要的是你是否有足够的逻辑量子位和足够高的门可信度来解决现实用例中感兴趣的问题。”

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苏姗·柯蒂斯是英国布里斯托尔的自由科技作家。