AI助力技术攻关：国际最大规模原子量子计算系统在沪成功构建

近日，我国量子计算领域技术研究迎来突破性进展。相关实验借助人工智能技术，达成了高度的并行性，且时间消耗与阵列规模无关，保持常数。在短短60毫秒内，成功构建出多达2024个原子的无缺陷二维和三维原子阵列，刷新了中性原子体系无缺陷原子阵列规模的世界纪录。

数千原子无缺陷二维和三维阵列重排实验结果图 本文均为受访者供图

8月9日，由上海量子科学研究中心（合肥实验室上海基地）、上海人工智能实验室、中国科学技术大学联合开展的这项研究成果，发表在国际学术期刊《物理评论快报》上，还被美国物理学会《物理》作为研究亮点专门报道。

审稿人对这项研究工作给予高度评价，认为这一工作“标志着原子相关量子物理领域在计算效率和实验可行性方面的一次重大飞跃”，“是一种创新的方法，具有明确且实用的优势，对于原子阵列实验这一庞大且不断发展的研究群体将具有重要吸引力”。

AI赋能推动量子计算研究突破

上海人工智能实验室青年科学家、上海创智学院全时导师钟翰森是该研究的负责人之一。钟翰森指出，当前AI和量子结合的研究并不多，此次工作属于AI和量子结合相对早期的探索，探索方向聚焦于中性原子量子计算领域，而上海已率先在这一领域开展布局。

中性原子体系因具有优异的扩展性、高保真度量子门、高并行性和任意的连接性，是极具潜力的量子计算和量子模拟平台。该体系利用光镊阵列囚禁中性原子，首先要通过重排技术将初始随机填充的原子阵列转换成无缺陷原子阵列，再在此基础上进行量子逻辑门操作。

然而，传统的重排方法存在诸多局限，如时间复杂度随阵列规模增长、原子丢失、计算速度慢等，导致阵列规模只能停留在几百个原子的水平，难以进一步扩大。AI的发展为研究团队带来了新的思路，为攻克这一难题，研究团队创新性地研发AI技术，实时驱动高速空间光调制器进行动态刷新，通过精确控制光镊阵列的位置和相位，实现所有原子的同时移动。

通俗来讲，过去的技术难以灵活控制光镊移动原子，只能逐个原子依次操作。如今依靠AI算法，研究人员能够一次性完成光镊阵列的调控，无论阵列规模多大，都能实现原子同步移动。

实验装置示意图

在此次研究中，研究团队展示了二维和三维原子阵列的任意构型重排，成功实现了高达2024个原子的无缺陷阵列，总耗时仅60毫秒。而且，随着原子阵列规模的增大，该重排方法的耗时能保持不变，未来可直接应用于数万原子规模的无缺陷阵列重排。目前，该系统单比特门保真度达99.97%，双比特门保真度达99.5%，探测保真度达99.92%，已追平以美国哈佛大学为代表的国际最高水平，为构建基于中性原子阵列的容错通用量子计算机奠定了技术基础。

中国科学技术大学上海研究院执行院长、上海量子科学研究中心副主任陆朝阳表示，这项研究借助AI找到了极为有效的方法，具备速度快、精度高、可扩展的三大优点。在他看来，这是中性原子量子计算机发展史上的里程碑式技术突破，且这一突破“源自中国”。

量子研究的未来展望

2024个原子的无缺陷阵列已刷新世界纪录，但对于这项重排技术而言，2024远非上限。从算力方面看，目前实现2024个原子阵列重排仅需两张英伟达4090显卡。当前仅构建这一数目的阵列，很大程度上是受其他技术和硬件条件的限制。

若用“木桶理论”来解释，原子阵列重排技术的突破实现了其中一块“木板”的飞跃，但要真正扩大量子比特的规模，还需解决多个领域的问题。目前在算法模拟环境中验证，将2024个原子扩大到数万个并无问题，但要在实际实验平台上实现，下一步需提高激光器的功率，测试更多极限性能，进一步提升平台能力。

钟翰森表示，虽然单项指标已取得领先，但从单项指标迈向工程化、系统化、集成化的过程中，仍有大量工作要做。领域内不同的研究团队都在努力补齐“木桶”的所有木板，只是路径各异。

我们距离通用量子计算机还有多远呢？未来3 - 5年，量子计算机可在一些特定领域作为科学工具辅助研究，而要实现密码破译等大规模应用，大约还需要10年时间。

此次技术突破由上海和安徽合作完成，既展现了高水平的科研实力，又体现了“有组织的兵团作战”。现阶段，量子计算作为重要的未来产业，受到上海的高度重视。去年，上海启动了量子计算机整机的研制，目前正在策划量子计算未来产业集聚区的建设。市科委相关处室负责人表示，接下来要持续支持整机研制，力争在装备设备领域取得突破，尤其要培养更多量子领域的年轻人才。

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