量子系统加速器如何铸就量子计算里程碑

在量子计算机能够解决复杂问题以前，研究人员得开发出能长时间管控大量量子比特（量子计算机的构成单元）的技术。

中性原子在这项努力当中起着重要作用，而且在量子计算领域颇具前景，因为它们给构建量子比特和实现量子操作提供了一个稳定、可控且可扩展的平台。

乍一看，中性原子——一种没有净电荷、质子和电子数量相等的粒子——对于量子处理器而言，好像是个直接的选择。

然而，和其他类型的量子比特一样，它们容易受环境噪声和控制缺陷的影响，这或许会在量子计算机里造成错误。

协作研究团队在基于中性原子开发量子计算硬件和技术这方面取得了重大进展，让可扩展量子计算的未来离现实更近了。

QSA 附属的科学家们已经开发出了创新的办法，用来创建一个稳定、可控、可扩展的平台，来构建硬件并实现量子操作。

被困在聚焦激光束中的中性原子不太容易受到环境的干扰，因此能更有效地处理量子信息。通过将中性原子排列成阵列，研究人员可以创建具有数十或数百个量子比特的更大量子系统，这对于进行复杂的量子模拟和开发大规模量子计算机至关重要。

中性原子的首个可重构阵列的开发在量子计算领域标志着一个重要的里程碑。

来自哈佛、麻省理工学院等机构的研究人员展示了使用“光镊”，其利用聚焦激光束来捕获并将中性原子定位至特定配置。

这一创新在 2021 年发表于《自然》杂志的一篇论文中有详细阐述，允许创建可重构阵列，这对于量子计算机中量子比特的灵活设计和优化至关重要。精确控制原子位置的能力提高了量子操作的可靠性和效率，为更强大和可扩展的量子计算机铺平了道路。

他们的量子模拟器已经促成了 新的量子物质相 ，并促进了对量子相变的详细探究

可重构中性原子阵列再次成为另一项由 QSA 主导的重要研究中的关键技术，该研究于 2023 年发表在《自然》杂志上，研究人员创建出了精确的纠缠逻辑门，实现了保真度达 99.5%的双量子比特操作。保真度作为衡量量子操作执行准确性的指标，对于构建和拓展可靠的量子计算机极为重要。

“基于这些研究成果，中性原子阵列成为可编程量子模拟和量子信息处理的领先平台，”哈佛量子倡议的联合主任、该研究的资深作者米哈伊尔·卢金（Mikhail Lukin）说。“在 QSA 的支持下，我们重新定义了量子信息科学的前沿。”

运用在这两项早期研究中所吸取的经验教训，哈佛大学和麻省理工学院的 QSA 研究小组与 QuEra Computing 合作，最近在《自然》上发表了新的实验结果，展示了可重构原子阵列如何能够在纠错技术方面带来根本性的改进，这对于可靠的量子计算至关重要。

通过更有效地解决错误，量子处理器能够以更高的精度执行更复杂的计算。这项最新研究探索了创新的科学方法，以提高量子系统的稳健性，推动了该领域的发展。

在另一项研究中，由来自芝加哥大学、哈佛大学、加州理工学院和亚利桑那大学的跨学科团队开展，研究人员为一种特殊的错误缓解代码（称为量子低密度奇偶校验（qLDPC））开发了实验和理论蓝图，这对扩展量子算法很有用。

在此次研究中，准低密度奇偶校验（qLDPC）码是一种……通过利用中性原子作为核心技术有效地管理错误，通常来说，完成这项任务需要数千个逻辑量子比特。通过模拟原子的重排，研究人员能够降低开销，使系统在不需要过多资源的情况下保持高性能。

“QSA 所支持的基础科学探索乃是这些进展的核心所在，”卢金说。“借由 QSA，我们得以合作并获取来自跨机构且具备不同专业知识的资源，我们需要把整个量子信息科学领域提升至一个新的层级。”

QSA 是能源部的五个国家量子信息科学研究中心之一，专注于量子计算的所有三项主要技术：超导电路、俘获离子系统和中性原子。