加州理工学院成功构建全球最大的中性原子量子计算机

加州理工学院的物理学家近日成功创造了迄今为止规模最大的中性原子量子计算机，在单一阵列中捕获了6,100个铯原子作为量子比特。这一研究成果发表于《自然》杂志，相较于之前仅包含数百个量子比特的阵列，这一成果实现了显著的突破。

研究人员将其系统从过去实验中的数百个量子比特扩展至6,000多个，同时保持了实用机器所需的稳定性和精度。

研究团队表示，该系统实现了约13秒的相干时间，比以往实验长近10倍，同时以99.98%的准确率执行单量子比特操作。

量子比特是量子计算机中信息的基本单位。与经典比特（可以是0或1）不同，量子比特能够以叠加态同时保持两种状态，从而实现并行计算。然而，挑战在于如何维持这种微妙状态足够长时间以运行计算。

这种稳定性被称为“相干性”，它常常受到噪声、热量或杂散电磁场的威胁。量子比特保持相干性的时间越长，量子处理器在出现错误前能够执行的操作就越复杂、越可靠。

加州理工学院物理学教授兼该项目首席研究员Manuel Endres在一份声明中表示：“对于中性原子量子计算来说，这是一个激动人心的时刻。”他补充道，“我们现在可以看到一条通往大型纠错量子计算机的道路。基础模块已经到位。”

然而，据参与该项目的加州理工学院研究生Elie Bataille称，时间只是量子过程中的一个因素。

“你需要的是与你的行动持续时间相比非常长的相干时间，”巴塔耶告诉解密。“如果你的操作时间为一微秒，并且相干时间为一秒，那么意味着你可以进行大约一百万次操作。”

在不牺牲保真度的情况下实现扩展

研究人员使用了“光镊”技术，利用高度聚焦的光束捕捉和定位单个原子。通过将单束激光分成12000个微型光阱，他们能够在真空室内稳定容纳6100个原子。

巴塔耶解释说：“如果你使用合适波长的激光，你就可以让光吸引原子，从而形成一个陷阱。”.“如果将光束限制在一个非常小的点上，大约一微米，你就可以吸引和捕获许多原子。”

研究团队还证明，他们可以在保持量子比特稳定的情况下移动原子，而不破坏其脆弱的量子态。这种能力将有助于未来量子计算机实现更高效的纠错。

中性原子量子系统正日益受到关注，成为超导电路和离子阱平台的有力竞争对手。其独特优势之一是物理可重构性：原子可以在计算过程中利用移动光阱重新排列，从而提供刚性硬件拓扑难以企及的动态连接。此前，大多数中性原子阵列仅包含数百个量子比特，而加州理工学院此次实现的6100量子比特里程碑标志着重要一步。

一场全球竞赛

在全球范围内，公司和实验室正在竞相扩大量子计算机的规模。IBM承诺到2033年推出拥有100,000量子比特的超导量子计算机。与此同时，像IonQ和Quantinuum这样的公司正在开发离子阱和中性原子技术。总部位于科罗拉多州的ColdQuanta则计划到2029年交付一台完全容错的量子计算机。

下一个关键里程碑是演示大规模纠错，这需要从数千个物理量子比特中编码出逻辑量子比特。这对于量子计算机解决化学、材料科学等领域的实际问题至关重要。

“传统计算机每10到17次运算就会出错一次，”巴塔耶指出，“目前量子计算机的精度远不及这个水平，我们也无法指望仅靠硬件就能达到这一目标。”

加州理工学院的研究小组计划通过纠缠来连接量子比特，这是运行全面量子计算的必要步骤。

虽然加州理工学院的6,100量子比特阵列尚未构成实用的量子计算机，但其结合了规模、准确性和相干性的系统为中性原子量子计算设定了新的基准，并巩固了其作为领先量子计算平台的地位。