最有潜力的实用量子计算候选人？介绍中性原子阵型量子计算机的前沿进展？

下面的文章来源于墨子沙龙 ，作者尹璋琦

墨子沙龙.

墨子沙龙是中国科技大学上海研究院从2016年开始举办的沙龙活动。它主要面向公众的自然科学和科学。后期会陆续增加人文、艺术、健康等主题的讲座或讨论内容。墨子沙龙每月邀请国内外知名科学家讲科学。

量子计算提出至今已有40多年。为了找到最适合量子计算的量子比特，我们找到了离子陷阱、单光子、中性原子阵型、量子点、超导电路、金钢石色心等各种量子物理系统...近年来，随着量子计算优势的实验演示，量子纠错超越了盈亏平衡点，实现容错量子计算成为实验室的重点，实用量子计算机的曙光也开始出现。

近年来，中性原子阵型量子计算机(以下简称中性原子量子计算)在所有这些物理系统中都取得了长足的进步。美国哈佛大学Lukin组于2023年12月首次以中性原子量子计算为基础，以128个原子为基础，完成了48个逻辑量子比特，并对逻辑量子比特施加了量子门操作，引起了广泛关注。正是因为这一标志性试验，中性原子阵型被称为最有希望实现实用量子计算的候选人之一。越来越多的人关注中性原子量子计算，借助这篇短文，作者简要介绍了这一研究内容。

01

技术特性和技术原理

中性原子量子计算与超导等其他量子计算路线相比，其特点(优点)如下：

规模最大，已经实现了6000多个原子量子比特的阵型和操纵，而且规模还在快速扩大，估计量子比特很快就能超过10000个量级。当前超导电路和离子阱系统量子计算机中包含的量子比特分别为1000和100量级。

2.利用偶极相互作用和原子阵型移动，可以实现高保真度量子门，非紧邻并行，非常适合实现量子算法的高效编译和容错量子计算。

▲ 图一 从Nature中提取中性原子量子计算机示意图 604, 451 (2022)

如图1所示，典型的中性原子量子计算机首先装载在光镊中，产生无缺陷的阵型(Zone2)，然后将原子移动到相互作用区(Zone1)，通过激光将原子之间的距离和内部状态控制在里德堡状态，实现原子之间的Z门、量子纠缠，甚至是随机的量子算法。

02

发源与发展-中性原子量子计算发展大事记

▲ 图二 M. Lukin（左），M Greiner（右）

除了上面提到的M之外，中性原子量子计算的发展最早可以追溯到本世纪初。.Lukin，还有一位M.Greiner。有趣的是，他们也代表了中兴原子量子计算发展的两项重要技术。然而，他们后来的合作最终将中性原子量子计算推向了从科研到应用发展的快车道。

2000年，Jaksch与Lukin等人合作，提出将原子囚禁在光圈阵型中，并将其激发到里德堡状态[注1]，利用其偶极相互作用，可以实现通用量子逻辑门甚至量子计算。

2001年，M. Lukin人建议将一团里德堡原子囚禁在光圈中，然后定义量子比特和实现通用量子逻辑门的技术路线。

2002年，德国马普所Bloch组的M. 基于光晶格的冷原子量子模拟技术，Greiner等人取得了突破。

2009年，M．Greiner创造了一个冷原子显微镜，可以检测到光晶格中的单个原子。冷原子显微镜技术为中性原子阵型量子计算扫平了最大障碍。

Lukin和Greiner于2016年成功会师。第一次实现了一维无缺陷原子阵型试验。

如图1所示，他们首先搭建了100个镊子的一维阵型，并在这个镊子阵型上加载了被激光冷却的原子，大约一半的镊子加载了原子。接着，他们用冷原子显微镜技术拍摄了这个光镊阵型，以确定哪些光镊含有原子。通过对莹光记数的统计分析，还可以确认每一个镊子中最多只有一个原子。接着对占据原子的光镊位置进行调控，可以在1秒内实现50多个中性原子的无缺陷光镊阵型。

同时，Antoine，法国国家科学研究中心 Browaeys教授组还单独完成了无缺陷的2维里德堡原子阵型。不仅如此，他们还可以随意排列原子阵型，形成任何二维图案，如图3所示。

▲ 图三 二维中性原子阵型莹光

此后，中性原子阵型量子计算和量子模拟技术进入快车道。2017年，Lukin组完成了51个里德堡原子阵型Ising量子多体旋转模型。

在2021年，Lukin组和Browaeys组独立完成了包括数百个里德堡原子阵型在内的量子模拟器，并完成了包括200个原子在内的反铁磁相变化。下一步，Lukin组又实现了高速高保真度传输和可控量子逻辑门，并准备了图形、表码量子态等。这个系统不仅可以作为可编程的量子模拟器，而且可以实现大规模的容错量子计算。

▲ 图四 利用中性原子阵型量子模拟器解决最大切割问题算法示意图，从Sciencencence 376, 1209 (2022)

03

应用探索-从科研转向产业化

中性原子量子计算从2022年开始探索应用。在2022年初，Lukin集团发表了一篇基于289个里德堡原子阵型实现量子隔热算法的文章，可以有效地解决NP-hard的最大单独集合问题。根据理论分析，他们认为这种设备的处理速度可以产生平方加速。与经典算法相比，在实验中，对于一些最难的问题，他们认为量子加速的优势已经产生。

在谷歌超导量子计算机“悬铃木”推出的同一年，Lukin和Greiner等人于2019年发起创业公司QuEra Computing，到2021年，风险投资将达到1700万美元。到2023年，QuEra的风险投资将超过3000万美元。

▲ 图五 QuEra公司

2019年，法国Browaey教授还成立了Pasqal企业，推动了里德堡原子阵型技术的产业化，并获得了数亿欧元的风险投资。

Nature杂志于2022年1月挑选了7项2022年值得关注的新技术，其中以里德堡原子阵型为基础的量子模拟技术。

中国科学家也加入了这一研究领域的产业化。2020年，中国科学院精密测量科技创新研究院詹明生研究团队成立了中科酷原科技(武汉)有限公司，先后获得数千万人民币风险投资。不久前，超过100个量子比特的中性原子量子计算机被发布。

▲ 图六 中科酷原公司致力于量子技术的原创创新和技术研发

在中性原子量子计算系统中，也有一些技术挑战亟待克服。第一个问题是系统稳定性。测量时要依靠原子荧光，不可避免地会对原子进行反冲加热。由于光镊的深度比较浅，所以有可能把原子踢出去。在实现量子算法时，需要将原子打入里德堡状态，这也会影响光镊的稳定性。二是量子门的速度问题：与超导电控制系统相比，中性原子量子计算的量子门速度要慢几个量级。最终是测量和初始化速度的问题，测量和初始化的特性时间也比超导电路慢几个量级。这一问题综合起来，极大地限制了中性原子量子计算的速度。为了解决这个问题，需要使用功率更大、频率更窄、稳定性更高的激光器。其次，光路锁相和锁频技术也需要发展到极限。

04

从现状和展望出发

QuEra公司于2024年1月发布中性原子量子计算路线图，展望未来三年的技术：

▲ 图七 QuEra公司发布的中性原子量子计算路线图

2024年:引入10个逻辑量子比特(256个物理量子比特)的量子计算机，实现逻辑量子比特上容错的横向量子门。横向量子门在量子电路中传播不会造成错误，容易纠正错误。

2025年:引进了30台具有逻辑纠错量子比特和魔法蒸馏的强化量子计算机，包括3000多个物理量子比特。对于实现通用量子计算，允许执行非克利福德门尤为重要。

2026年：推出一台拥有100个逻辑量子比特和10000多个物理量子比特的量子计算机，从而实现深度逻辑量子电路，推动量子计算超越经典模拟极限。

该计划环环相扣，不仅将逻辑量子比特数量推至100量级，完成量子信息的保护，而且基于逻辑量子比特实现容错量子门，从而实现深度容错量子电路，同时在计算可靠性和量子比特数量上跃进，意味着大规模深度容错量子计算时代的到来。

这一三年计划体现了QuEra实现实用可容错量子计算的野心和信心。这一前景广阔的行业吸引了许多技术人才和研究团队。2019年加入QuEra公司负责量子算法理论后，笔者有一位弟弟曾在Lukin组做博客。2023年瑞士ETH硕士毕业后，我带了一个本科生去德国马普研究所Bloch组攻读博士学位，方向是中性原子量子模拟和量子计算。

在2024年CCF量子计算会议上，中性原子量子计算也是绝对的明星技术路线。国内很多实验组都开始朝着这个方向发展，希望抓住基于这项技术容错量子计算的历史机遇。在会议报告中，中国科技大学陆朝阳教授透露，他们的实验室已经实现了超过2000个原子的量子计算机。在中性原子量子计算中，作者希望三年后，中国科学家也能达到世界上最先进的水平。

注1：所谓里德堡状态，是指被激发到轨道数n=50-100的高激发状态原子。此时原子能级寿命达到10微秒量级，原子轨道半径为μm量级，可以实现距离μ量子门在m量级中性原子之间。

END

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