2022，量子计算为何掀起中性原子热？

刚刚成立的量子计算初创公司planqc近日宣布完成460万欧元融资[1]。这笔资金将用于开发一种室温运行的高度可扩展的量子计算机——基于捕获在光学晶格中的原子。planqc由来自马克斯·普朗克量子光学研究所(MPQ)和慕尼黑大学的科学家团队创立，以量子理论的开创者马克斯·普朗克(Max Planck)的名字命名，是欧洲领先的量子技术中心之一慕尼黑量子谷的第一家初创公司。

图1 planqc的实验室

该公司的创始团队结合了哈佛大学、牛津大学、加州大学伯克利分校、科罗拉多大学、因斯布鲁克大学、新加坡量子技术中心(CQT)和MPQ等世界领先机构数十年来对中性原子量子技术的国际研究。

与其他中性原子公司类似，planqc的量子计算机将信息存储在单个原子中，并将它们排列在高度可扩展的人造光晶体中。然后，量子信息通过基于精确控制的激光脉冲的量子门进行处理，利用MPQ开创性的基础研究和世界领先的德国激光和光子产业。

MPQ研究员、planqc联合创始人Johannes Zeiher解释道：“我们的原子比深空冷100多万倍，比IBM或谷歌使用的超导量子比特冷1000多倍，但由于我们的量子比特与周围环境近乎完美的隔离，我们可以在室温环境下运行计算机。我们已经在MPQ的光晶格模拟器中常规捕获和控制了2000多个原子。”

实际上，你可以从光子盒的报道中看出，2022量子计算已经掀起了中性原子热。多家公司推出了100+量子比特系统；芝加哥大学团队成功捕获了512个原子；展示了中性原子量子计算机的可编程性、通用性和可扩展性；Pasqal和ColdQuanta分别收购了一家量子计算软件公司。

量子计算为何掀起中性原子热？缘于其在量子模拟方面的优势。

中性原子量子计算机除了量子门描述量子比特时间演化的数字模式外，还可以在所谓的模拟水平上实现对设备的控制，可以直接操纵描述原子系综演化的数学算子(哈密顿量)。它不仅允许在应用门的过程中对脉冲进行更精细的控制，而且还可以直接使用系统的哈密顿量作为计算资源。这种模拟设置所允许的精细控制水平，加上大量可能的配置，使其成为量子处理的强大工具[2]。

目前的中性原子量子计算公司中，有的正在研究模拟方法(例如Pasqal)，而有的则专注于门方法(例如Atom Computing)。其中，Pasqal正在开发混合数字/模拟解决方案。

图2 主要的中性原子量子计算公司

中性原子量子处理器(QPU)能够实现数字和模拟量子处理任务。在数字计算中，量子算法被分解成一系列量子逻辑门，由如图3(a)所示的量子线路描述。这些量子门是通过将微调过的激光脉冲照射到寄存器中选定的单个原子子集上实现的。在模拟计算中，激光被用于实现哈密顿量。量子比特根据薛定谔方程随时间演化，如图3(b)所示。通过测量每个量子比特的状态来探测系统的最终状态。

图3 数字处理与模拟处理。(a)在数字处理中，对量子比特应用一系列门来实现量子算法。每个门都是通过用激光束单独寻址量子比特来实现的。(b)在模拟处理中，量子比特在特定的哈密顿量H下演化，例如通过用激光束照射整个寄存器。系统的波函数|ψ〉遵循薛定谔方程。

中性原子阵列适用于实现量子哈密顿量和实现模拟量子处理。里德堡原子表现为巨大的电偶极子，它们经历偶极-偶极相互作用，映射为自旋哈密顿量。寄存器的每个量子比特都表现为自旋，其状态为|↓〉=|0〉和|↑〉=|1〉。根据过程中涉及的里德堡态，自旋经历不同类型的相互作用，转化为不同的哈密顿量。研究最多的是伊辛模型，|↓〉为基态之一，|↑〉为里德堡态。

伊辛哈密顿量是解决凝聚态物质中许多问题的典型模型。例如一个描述材料科学中量子磁体在非常低的温度下如何演化的模型。在中性原子设备中，这种模型可以在包含数百个原子的1D、2D或3D阵列中实现，理论上将远远超过经典计算机的计算能力。

可以实现的自旋模型的另一个例子是XY哈密顿量。它在自旋状态下自然出现|↓〉和|↑〉是两个偶极耦合的里德堡态。自旋态之间的相干交换，将对态|↓↑〉转换为|↑↓〉。交换相互作用非常适合于研究受挫量子磁体或激发输运，特别是在光合作用的背景下，了解光能如何在捕光复合物中被带到反应中心。与寄存器中量子比特的可控几何形状进行关联，它还可以解决有机聚合物等拓扑材料的导电性问题。

结合各种状态，并利用寄存器中自旋的几何形状，中性原子QPU允许实现各种各样的自旋哈密顿量。在模拟量子处理的所有候选者中，光学阵列中的里德堡原子特别适合，因为它们提供了非常有利的品质因子Q~102。

完全可编程的中性原子QPU的第一个自然应用是探索和解决许多科学领域的复杂量子现象，从固态材料的行为到化学和生化反应动力学。通过引导量子纠缠和叠加，人们可以在设备中再现被认为足以解释此类物理现象的关键元素。

从这个意义上说，量子设备可以作为基本自然过程的模拟器，可以用来促进科学发现，同时大大降低计算成本。由于其量子性质，在这个量子模拟框架中探索的科学问题在经典设备上不容易解决。困难的根源在于希尔伯特空间的大小与相互作用粒子数的指数增长。

量子模拟(Quantum Simulation)还可以进一步分为模拟(Analog)量子模拟和数字(Digital)量子模拟，区别如下：

中性原子阵列的量子模拟应用包括所有的多体物理学，即研究相互作用的量子粒子群行为的领域。这是一个非常广泛的领域，包括几乎所有的凝聚态物理和量子化学，另外还有核物理和高能物理。

1.凝聚态物理

通过允许模拟量子自旋系统，中性原子设备将为凝聚态物理开辟各种新的机会。在过去的60年里，自旋模型在各种背景下被广泛研究，例如磁性和激发输运。但许多重要的开放性问题仍然是积极研究的主题，例如，当自旋以几何挫折为特征排列时相图的性质，哈密顿量的一个参数突然变化后的系统动力学，无序在耦合中的作用，或它们与拓扑起作用的情况的组合。除了量子自旋系统，原子阵列还可以为其他感兴趣的固态系统带来新的见解，如电子系统。

未来沿着这些方向进行的研究将有助于研究新材料，这些新材料可能为能量运输和储存提供前所未有的功能，或表现出高温超导等变革型特性。

2.量子化学

模拟电子系统的能力扩展到量子化学和生物化学问题。虽然经典计算力学足以描述这些系统的大部分特性(例如分子动力学)，但量子效应的引入有助于理解微观层面的一些物理过程。

多体量子效应的引入，通过提供分子活性位点的电子自由度的更完整模型，可以使我们改进模型并更好地理解一些分子的反应性。这类研究通常相当于描述一个非常大的电子哈密顿量的低本征态。寻找本征值的量子方法依赖于量子相位估计(QPE)算法，该算法可以提供超越经典方法的指数加速，但是对于没有纠错的NISQ量子设备仍然是不切实际的。因此，需要通过变分程序利用量子硬件的能力。

图4 中性原子设备在量子物质和生物化学研究中的应用。左图显示了高温超导体的氧化铜平面。人们通过多体电子哈密顿量(费米-哈伯德)来模拟这种系统，可以通过众所周知的变换将其映射到自旋系统上。右图显示了血红蛋白的结构。蛋白质活性位点的量子模拟可以带来对其反应性的新认识。

3.高能物理、核物理和宇宙学

现代量子模拟器所允许的对单个粒子的强大控制使得在实践中实现晶格规范理论模型成为可能。规范理论在粒子物理学中很重要，包括基本粒子的主流理论：量子电动力学、量子色动力学和粒子物理学的标准模型。晶格规范理论是对被离散成晶格的时空的规范理论的研究，其应用也扩展到凝聚态物质和核物理。因此，中性原子设备是一个测试高能物理基础理论的诱人平台，其开发成本比粒子对撞机低四个数量级。

[1]https://www.uvcpartners.com/blog/max-planck-scientists-found-planqc-to-build-highlyscalable-quantum-computer

[2]https://arxiv.org/pdf/2006.12326

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