将量子比特数提升1个数量级，科学家用中性原子制备量子处理器，实现6100个量子比特

深科技 | 2024-04-14 14:25:33 阅读：289

近期，美国加州理工学院曼努埃尔·A·恩德雷斯（Manuel A. Endres）教授实验室发布了迄今为止世界上最大规模的量子计算平台。

研究人员展示了用 12000 个光镊阵列捕获 6100 个中性原子，实现退相干时间 12.6 秒，并且，达到了 23 分钟的真空寿命。
该结果一经发布，马上在学术界和工业界引起了震动。一些知名学者称该研究为领域内“最伟大的工作”，工业界则认为该研究“将有可能瓦解比特币的加密机制”。
该研究预示着量子计算可能在短期内实现，并且有望在可以预计的未来实现落地应用。

（来源：加州理工学院）
如果能够用量子计算的方式去探索、模拟、了解世界，意味着什么呢？
这说明，人类认知世界的方式发生了本质的变化，我们将进入到一个新的算力爆发的时代。
在此之前，人类对于世界的认知具有一定的局限。其中一个原因在于，整个世界是一个复杂系统。从微观的分子原子，到宏观的天气系统，其复杂程度远超现有计算机可以计算模拟的程度。
量子计算的出现，有望解决此前由于计算复杂性、算力不够等原因而无法突破的问题，为人类社会和科技发展带来革命性的改变，包括人工智能、超导、生物医药、新材料、加密解密等诸多领域。
例如，包括蛋白质之间分子相互作用等疾病机理研究、药物研发等方向或将基于此更快地取得突破。
另一方面，人们还可以利用远超现在所有芯片的算力，来构建前所未有的人工智能大模型，加快实现通用型人工智能的步伐。
近日，相关论文以《具有 6100 个高相干原子量子位元的光镊阵列》（A tweezer array with 6100 highly coherent atomic qubits）为题发表在预印本网站 arXiv 上[1]。据悉，该论文目前处于国际顶刊审稿状态。
加州理工学院硕士研究生汉纳·J·曼蒂奇（Hannah J. Manetsch）、野村行平（Gyohei Nomura）、艾力·巴塔伊（Elie Bataille）为共同第一作者，该校博士后研究员吕旭东和曼努埃尔·A·恩德雷斯（Manuel A. Endres）教授共同负责该项研究。

图丨相关论文（来源：arXiv）

量子计算现状：仍处于模拟计算的阶段
量子计算是人们一直以来的梦想，最早由美国国家科学院院士、诺贝尔物理学奖获得者理查德·费曼（Richard Feynman）提出。
它是一种全新的信息处理方式，基于量子力学的原理，与传统的基于经典物理定律的计算方式截然不同。
具体来说，在经典计算中，信息被编码在比特上，每个比特或者是 0，或者是 1。而在量子计算中，基本的信息单位是量子比特，它可以同时处于 0 和 1 的状态，这种状态被称为“量子叠加”。
量子叠加赋予量子计算机处理大量数据的潜力，理论上可以实现比传统计算机指数级加速的计算速度。量子比特的另一个关键特性，是量子纠缠。当两个量子比特纠缠在一起时，一个量子比特的状态会即时影响到另一个量子比特的状态。
与此同时，我们也必须看到，虽然人们对量子计算的期待值很高，但量子计算至今仍未实现实质性的落地应用。
其主要原因在于，量子计算需要复杂的、大规模的量子系统，而现有的一些量子计算在硬件上能够实现的高质量的比特数量十分有限。
此外，量子计算实现的必要条件是高精度、高准确度，而不可忽视的是，量子比特在实际操作中极易受到噪声和干扰的影响。
因此，实际上我们一直所处于的是模拟计算阶段，并没有真正地进入到数字计算的时代。

迄今量子比特数最多的量子处理器
需要了解的是，很多物理比特才能组合成为一个逻辑比特。在行业内公认的实现量子计算的做法是，将量子系统做得更大，然后用量子误差校正（Quantum Error Correction，QEC）的方式，来降低量子计算的错误率。
此前的量子处理器，最多能实现数十到数百量子比特。最近，该领域内有相关报道称量子系统实现了约 1000 个原子，但其并未定义量子比特或展示相干控制。

“我们实现的量子比特数比以往研究提升了约 1 个数量级，我认为，这是一个具有里程碑意义的量级进步。”吕旭东表示。

该研究之所以能够发展出截至目前量子比特数最多的量子处理器，并在各方面都取得较为理想的效果，与研究人员选择中性原子的技术路径密不可分。
1947 年，美国物理学家威廉·肖克利（William Shockley）发明晶体管，取代了计算机设计中的真空管。然而，这些小部件需要半导体材料才能工作。
在经典计算中，最初人们提出半导体的概念后，并不确定具体用哪种材料来制造它。早期的晶体管含有锗，经过尝试和对比后，最终选择了使用硅来制备半导体，正是因为它可被规模化和集成化。
与之类似，中性原子是一种量子比特的实现方法，包括原子制备、量子受控门操作、量子态测量、误差纠正和量子存储等关键步骤都可被不断地提升发展，并且具有极大的可扩展性。
该团队在每个光镊中放一个原子，利用 12000 个光镊捕获了 6100 个量子比特。

图丨 a、在 12000 个光镊阵列上的单个铯原子的代表性单镜头图像；b、在一个 12000 个镊子阵列上的单个原子的平均图像（来源：arXiv）
据了解，整个系统搭建历经近三年时间。该团队将光镊与偏振结合，通过视场直径为 1.5mm 的高数值孔径物镜聚焦，为超高真空中的量子比特捕获和操作提供了广阔的区域。
为最大程度地降低干扰原子的因素、减小光镊加热效应，并使其均匀分布在光镊中，研究人员在室温真空腔中设计了一种特别的远共振波长，从而实现了低损耗、高保真成像和长超精细相干时间的成像。
该系统在制备过程中充满了挑战。例如，需要在生成大量的原子后，保证它均匀地分布在光镊中，这需要光强达到约 100-200W 左右。对此，论文中这样描述：这么强的激光，在冷原子实验中并不多见，导致的光学组件温度升高等问题需要解决。
另外，如果原子的寿命很短，那么整个系统的原子越多，它出错的概率也会越高，因此还需要尽可能地提升原子的寿命。

图丨实验系统示意图（来源：arXiv）
为了解决上述该问题，研究人员通过原子冷却、原子捕获等一系列方法，对原子进行约 10 毫秒的 2D 偏振梯度冷却。同时，实验人员使用极高的真空打造了一个非常干净的背景环境，大大避免了背景粒子对于实验原子的影响。
通过该方法，实验还实现了原子在光镊中近 23 分钟的真空寿命，该指标系在不使用低温系统的情况下，目前最长的光镊中原子真空寿命。“我们将整个重要的过程控制在毫秒量级，因此这 20 多分钟时间几乎可以不计误差。”吕旭东表示。
相干时间与保持量子特性紧密相关，研究人员还实现了 12.6 秒的退相干时间。这是截至目前碱金属原子在光镊中的最长退相干时间，与以往研究相比，提升了约 1 个数量级。
与此同时，他们还展示了单个铯原子的成像，并创造了新的记录。其中，成像存活概率为 99.98952%，成像保真度为 99.99374%。
“我们的结果加上重排列和特定的纠错码，如果具有约 1 万个原子量子比特的高保真度的量子计算机是近期可能的前景，为实现具有数百个逻辑量子比特的量子纠错提供了一条新路径。”吕旭东说。

有望开启量子计算的新纪元
吕旭东本科和博士分别毕业于北京大学物理学院和美国加州大学伯克利分校，博士阶段的主要研究方向为量子精密测量和仪器。
博士期间师从国美国国家科学院院士、美国艺术与科学院院士亚历山大・派因斯（Alexander Pines）和加州大学伯克利分校化学和生物分子工程学院院长杰夫・里莫（Jeffrey Reimer）教授。

图丨吕旭东（第一排右二）与所在课题组（来源：吕旭东）
目前，吕旭东在加州理工学院从事博士后研究，合作导师为曼努埃尔·A·恩德雷斯（Manuel A. Endres）教授。
该课题组从 2016 年开始，利用中性原子进行量子计算和量子模拟，实现用光镊捕获原子，并通过该方法将原子重新排列实现光镊阵列。近期，他们还开发出一种新方法，让经典计算机不被完全模拟，也可以预测量子计算机的错误率[2]。
“正是团队此前多年扎实的技术累积，才有了这次的新成果。”吕旭东说道。
实际上，把原子放在光镊中很容易产生移动，因为原子系统比较灵活，任意两个比特之间可以相互作用。
基于这种优势，今年年初另一个课题组在中性量子计算平台上实现了 48 个逻辑比特[3]。
据了解，其他平台从未实现过如此高效率的逻辑比特，这也是一个振奋人心的进展，展示出中性原子路径的优势。他表示：“中性原子系统逻辑比特的质量，未来也会越来越高。”
根据论文，下一步，该课题组计划一方面计划继续增加比特数；另一方面，目前 6100 个量子比特在实验中的位置是随机的，研究人员打算将它们有序地排列起来。此外，他们还将探索在量子门电路量子纠错等方向。
吕旭东认为，量子计算在量子模拟或模拟材料系统观测新物态，可能会更早地落地，在人工智能方面也将发挥巨大作用。“我对量子计算持比较乐观的态度，相信过不了多久就会看到其初步可用。”
该研究的里程碑意义在于，展示了量子处理器系统的可扩展性，一定程度上开创了大规模比特的量子计算的时代。在此基础上，量子计算有望开启一个新的纪元。类比于传统计算机，这有可能是从“真空管时代”到“集成电路时代”转变的开端。

参考资料：1.Manetsch, Hannah J., et al. A tweezer array with 6100 highly coherent atomic qubits. arXiv:2403.12021(2024). https://arxiv.org/abs/2403.120212.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-x3.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：刘雅坤

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