隨著量子計算技術(shù)的不斷發(fā)展，原子陣列量子計算作為一種新興技術(shù)，展現(xiàn)出巨大的潛力和優(yōu)勢。近期，該領(lǐng)域取得了重大突破，為通用量子計算的實現(xiàn)邁出了堅實的一步。本文將介紹原子陣列量子計算的核心要素、發(fā)展歷程、優(yōu)勢以及近期突破的重要意義。

原子陣列量子計算簡介

原子陣列量子計算由以下三個核心要素組成(圖1)：(1)利用原子內(nèi)態(tài)編碼量子比特。在使用堿金屬原子的陣列實驗中，量子比特編碼在基態(tài)原子的兩個磁量子數(shù)為零的內(nèi)態(tài)能級上。這兩個原子內(nèi)態(tài)之間的相干時間很長，可以達到數(shù)秒，該相干性此前已經(jīng)被廣泛應用于原子鐘的精密計時；(2)利用光鑷束縛和操控原子。光鑷可以將原子的空間運動固定，通過可編程的方式控制光鑷，使原子在空間上排成陣列。通過移動光鑷，可以將任何兩個原子移動到一起，進行門操作，可以動態(tài)地實現(xiàn)All-to-All的全聯(lián)通性。這是原子陣列實現(xiàn)量子計算的一大特色；(3)利用里德伯激發(fā)進行門操作。里德伯態(tài)是原子的高激發(fā)態(tài)，處于里德伯態(tài)的原子具有很強的相互作用，被稱為“里德伯阻塞效應”。利用這一效應，兩個相距幾微米光鑷中的原子也產(chǎn)生相互作用，以此可以實現(xiàn)兩比特，甚至多比特的量子門操作。

圖1 原子陣列量子計算示意圖。Rb87原子的兩個內(nèi)態(tài)能級被用于編碼量子比特，原子被光鑷俘獲和操控，兩個原子靠近后可以通過里德伯相互作用實現(xiàn)兩比特門操作(其中|r? 代表里德伯態(tài)，Ω代表單個原子激發(fā)時的拉比頻率)

原子陣列量子計算發(fā)展簡史

基于原子的量子計算方案始于2000年前后，但初期的方案依賴于單比特尋址，效率和準確率一直不高。相對于超導、離子阱來說，原子系統(tǒng)此前是不被看好的通用量子計算平臺，基于冷原子的研究更多地是針對量子多體物理等方面。 研究人員于2016年實現(xiàn)了原子陣列重排。經(jīng)過多年的努力，直到近兩年才有了關(guān)鍵性突破，于2022年實現(xiàn)了具有動態(tài)的、全聯(lián)通性的架構(gòu)。該架構(gòu)的主要優(yōu)勢是，不再需要進行單比特尋址的局域操作，而是將需要相互作用的原子用光鑷全部移動到一個“糾纏區(qū)”(entangling zone)，然后當激光均勻地作用于“糾纏區(qū)”時，就可以實現(xiàn)高度并行的量子門操作。另一方面，通過不斷提高兩比特門保真度的不懈努力，2023年4月兩比特門保真度達到99.5%，突破了量子糾錯碼所需要的保真度閾值。這些突破解決了此前制約原子陣列量子計算的瓶頸性問題，開展量子糾錯編碼的技術(shù)條件已經(jīng)具備。不出所料，2023年12月，研究人員宣布用量子糾錯碼編碼了48個邏輯比特，并進行了數(shù)百個邏輯門操作。同時，還展示了邏輯比特線路中快速測量和基于測量結(jié)果的實時反饋。這項技術(shù)是之后量子糾錯過程中必不可少的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

原子陣列量子計算的優(yōu)勢

相比于現(xiàn)在正在發(fā)展的其他一些量子計算平臺，原子陣列平臺有如下幾個方面的優(yōu)勢：(1)易于擴展。磁光阱中捕獲的冷原子通常可超過千萬量級，每個原子天然就是一個全同的物理比特。利用光鑷技術(shù)可以在磁光阱中俘獲足夠多的原子作為量子比特，并對其進行可編程的單獨操控；(2)全聯(lián)通性。通過光鑷移動原子可以將任意兩個或多個原子靠近，進行量子門操作；(3)高度并行。通過將數(shù)十、數(shù)百個量子比特同時移動到“糾纏區(qū)”，一次經(jīng)典操控可以同時實現(xiàn)大量的量子門操作(圖2)；(4)統(tǒng)計屬性。很多量子計算的應用場景，比如量子化學和材料計算，涉及到電子的費米子屬性。如果要用不帶統(tǒng)計屬性的量子比特來研究電子問題，需要編碼費米統(tǒng)計，這是十分困難的。原子天然具有統(tǒng)計屬性，如果能利用費米原子來實現(xiàn)費米量子計算，則可以自然地解決這一困難。

圖2 利用里德伯阻塞并行地進行多對原子間的兩比特或三比特量子門操作，使得一次經(jīng)典操控可以同時驅(qū)動大量的量子門和量子操作。CZ代表兩比特相位控制門，CCZ代表三比特相位控制門。右側(cè)能級圖展示了如何通過一束藍光(420 nm)和一束紅外光(1013 nm)將原子能級|1?態(tài)激發(fā)到里德伯態(tài)|r?

原子陣列量子計算近期突破的重要意義

該工作邁出了容錯通用(fault-tolerant universal)量子計算的關(guān)鍵一步。我們現(xiàn)在使用的經(jīng)典計算機就是“容錯通用”的。“容錯”是指在計算中允許硬件層面發(fā)生一些錯誤，這些錯誤可以通過糾錯碼得以糾正，最后仍然得到準確的計算結(jié)果。“通用”是指可以通過在計算機上運行代碼，執(zhí)行不同功能的任務，而不是只執(zhí)行特殊定制的任務。 通過量子糾錯編碼，可以將多個“物理比特”編碼成一個“邏輯比特”，其錯誤率將被指數(shù)壓低。“邏輯比特”才是容錯量子計算的基本單元。當然，邏輯比特也不是絕對沒有錯誤的。糾錯碼有一個碼距(code distance)的概念，一個碼距為d的糾錯碼，只有同時發(fā)生大于等于d個物理比特的錯誤時，邏輯比特才會發(fā)生錯誤。對于一個有效的糾錯碼，碼距越大，邏輯比特的錯誤率就越小。這次的實驗進展，通過糾錯碼最多編碼了48個碼距為2邏輯比特；最大實現(xiàn)碼距為7的糾錯碼編碼方案。同時，展示了隨著碼距的增大，邏輯比特的錯誤率在降低，這說明實現(xiàn)的糾錯碼是有效的。此外，他們還進行了邏輯比特層面的操作，這已經(jīng)遠遠超過了此前其他平臺在容錯量子計算方面所達到的水平。

原子陣列實現(xiàn)容錯通用量子計算的前景和挑戰(zhàn)

目前原子陣列量子計算的進展，可以說是剛剛踏入了容錯通用量子計算的大門，未來的道路還很漫長，也充滿挑戰(zhàn)。按照目前最先進的技術(shù)，達到上萬甚至十萬量級的物理比特數(shù)目，并將兩比特門的保真率達到99.9%，并以此為基礎(chǔ)，產(chǎn)生百位數(shù)的邏輯比特，是未來幾年極有可能達到的目標。屆時，如何利用這樣規(guī)模的量子資源，特別是利用上述四點原子陣列平臺的硬件優(yōu)勢，做出一些有意義的量子計算成果，需要理論和實驗的共同努力。這是當前該領(lǐng)域具有重要實際意義的研究問題。

圖3 原子陣列以及原子陣列重排 (a)重排前隨機裝載的原子，小框圈出了算法自動識別出的原子坐標，根據(jù)這些信息決策并執(zhí)行重排算法；(b)經(jīng)過重排后的無缺陷原子陣列。橫縱軸為成像相機的像素，每個像素對應了原子處的空間尺度2 μm×2 μm 另一方面，當前技術(shù)距離實現(xiàn)完全的容錯通用量子計算仍有相當?shù)牟罹啵渲兄饕幸韵滤膫€方面的挑戰(zhàn)：(1)更多。將物理比特數(shù)量提升到至少千萬量級甚至更大的規(guī)模，需要克服光學成像系統(tǒng)的視場限制、激光功率的限制、光學元件耐受性等問題；

(2)更準。要進一步提高門操作的保真度，需要解決激光噪聲、里德伯態(tài)的壽命、黑體輻射和原子溫度等效應的影響，以及提高量子態(tài)測量的精度；(3)更長。要保持原子陣列不間斷地計算，需要發(fā)展模塊化的實驗裝置，建立存儲模塊不斷補充原子；

(4)更快。要實現(xiàn)實時的量子糾錯，線路中快速測量和反饋是必不可少的，因此需要實現(xiàn)更快地信息讀取和量子比特的移動。研究者要開發(fā)新的光鑷操控的硬件、光腔和原子陣列的耦合等新技術(shù)以實現(xiàn)快速測量和量子糾錯。

總之，原子陣列物理平臺已經(jīng)展示出實現(xiàn)容錯通用量子計算的巨大潛力。未來5年左右，如何利用上萬量級的物理比特和原子陣列平臺的硬件優(yōu)勢，初步實現(xiàn)容錯量子計算，完成一些有意義的量子計算任務，這是擺在我們面前亟待解決的科學問題。實現(xiàn)完全的大規(guī)模通用量子計算，是一個漫長的過程。通過未來5—10年的發(fā)展，人們有望看清楚原子陣列平臺能否最終達到這一目標。

審核編輯：黃飛