加州理工学院建造世界上最大的中性原子量子计算机

加州理工学院的物理学家创造了最大的中性原子量子计算机迄今为止，单个阵列中捕获了 6,100 个铯原子作为量子比特。该成果发表于自然周四，这比之前仅包含数百个量子比特的阵列有了显著的增长。

研究人员将他们的系统从过去实验中典型的数百个量子比特扩展到 6,000 多个，同时保持了实用机器所需水平的稳定性和精度。

该团队表示，它实现了约 13 秒的相干时间——比过去的实验长近 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，量子比特可以存在于叠加同时保持两种状态，使其能够并行执行多项计算。挑战在于如何保持这种微妙状态足够长的稳定时间，以便运行计算。

这种稳定性被称为“相干性”，它不断受到噪声、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之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。”陈述“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连贯时间，”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进行缩放

研究人员使用“光镊”是高度聚焦的光束，用于捕捉和定位单个原子。通过将单束激光分成12000个这样的微型光阱，他们能够在真空室内稳定地容纳6100个原子。

巴塔耶说：“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。”

研究团队证明，他们可以在阵列内移动原子，而不会破坏其脆弱的量子态，即叠加态。这种在保持量子比特稳定的情况下移动量子比特的能力，将使未来量子计算机更容易纠错。

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进行重新排列，从而提供刚性硬件拓扑难以企及的动态连接。迄今为止，大多数中性原子阵列仅包含数百个量子比特，而加州理工学院的6100量子比特里程碑则向前迈出了重要一步。

一场全球竞赛

随着全球各地的公司和实验室纷纷扩大量子机器的规模，这一成果也随之而来。IBM 承诺100,000 量子比特到 2033 年，超导计算机将问世，而像离子Q 和 曲纪元正在开发离子阱和中性原子方法。总部位于科罗拉多州的量子目标是到 2029 年交付一台完全容错的量子计算机。

下一个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，”巴塔耶说，“量子计算机的精度远不及这个水平，我们也不指望仅靠硬件就能达到这个水平。”

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 量子比特阵列尚未提供实用的量子计算机，但通过在一个系统中结合规模、准确性和相干性，它设定了新的基准并加强了中性原子作为量子计算领先平台的地位。