加州理工學院建造世界上最大的中性原子量子計算機

加州理工學院的物理學家創造了最大的中性原子量子計算機迄今為止，單個陣列中捕獲了 6,100 個銫原子作為量子比特。 該成果發表於自然週四，這比之前僅包含數百個量子比特的陣列有了顯著的增長。

研究人員將他們的系統從過去實驗中典型的數百個量子比特擴展到 6,000 多個，同時保持了實用機器所需水平的穩定性和精度。

該團隊表示，它實現了約 13 秒的相干時間——比過去的實驗長近 10 倍——同時以 99.98% 的準確率執行單量子比特操作。

量子比特是量子計算機中信息的基本單位。 與經典比特（可以是 0 或 1）不同，量子比特可以存在於疊加同時保持兩種狀態，使其能夠並行執行多項計算。 挑戰在於如何保持這種微妙狀態足夠長的穩定時間，以便運行計算。

這種穩定性被稱為“相干性”，它不斷受到噪聲、熱量或雜散電磁場的威脅。 量子比特保持相干性的時間越長，量子處理器在出現錯誤之前能夠執行的操作就越複雜、越可靠。

加州理工學院物理學教授兼該項目首席研究員 Manuel Endres 在一份聲明中表示：“對於中性原子量子計算來說，這是一個激動人心的時刻。”陳述“我們現在可以看到一條通往大型糾錯量子計算機的道路。基礎模塊已經到位。”

然而，據參與該項目的加州理工學院研究生 Elie Bataille 稱，時間只是量子過程中的一個因素。

“你需要的是與你的行動持續時間相比非常長的連貫時間，”巴塔耶告訴解密。 “如果你的操作時間為一微秒，並且相干時間為一秒，那麼意味著你可以進行大約一百萬次操作。”

在不犧牲保真度的情況下進行縮放

研究人員使用“光鑷”是高度聚焦的光束，用於捕捉和定位單個原子。 通過將單束激光分成12000個這樣的微型光阱，他們能夠在真空室內穩定地容納6100個原子。

巴塔耶說：“如果你使用合適波長的激光，你就可以讓光吸引原子，從而形成一個陷阱。”.“如果將光束限制在一個非常小的點上，大約一微米，你就可以吸引和捕獲許多原子。”

研究團隊證明，他們可以在陣列內移動原子，而不會破壞其脆弱的量子態，即疊加態。 這種在保持量子比特穩定的情況下移動量子比特的能力，將使未來量子計算機更容易糾錯。

中性原子量子系統正日益受到關注，成為超導電路和離子阱平台的有力競爭對手。 其獨特優勢之一是物理可重構性：原子可以在計算過程中利用移動光阱進行重新排列，從而提供剛性硬件拓撲難以企及的動態連接。 迄今為止，大多數中性原子陣列僅包含數百個量子比特，而加州理工學院的6100量子比特里程碑則向前邁出了重要一步。

一場全球競賽

隨著全球各地的公司和實驗室紛紛擴大量子機器的規模，這一成果也隨之而來。 IBM 承諾100,000 量子比特到 2033 年，超導計算機將問世，而像離子Q 和 曲紀元正在開發離子阱和中性原子方法。 總部位於科羅拉多州的量子目標是到 2029 年交付一台完全容錯的量子計算機。

下一個里程碑是演示大規模糾錯，這需要從數千個物理量子比特中編碼出邏輯量子比特。 這對於量子計算機解決化學、材料等領域的實際問題至關重要。

“傳統計算機每 10 到 17 次運算就會出錯一次，”巴塔耶說，“量子計算機的精度遠不及這個水平，我們也不指望僅靠硬件就能達到這個水平。”

加州理工學院的研究小組計劃通過糾纏來連接量子比特，這是運行全面量子計算的必要步驟。

雖然加州理工學院的 6,100 量子比特陣列尚未提供實用的量子計算機，但通過在一個系統中結合規模、準確性和相干性，它設定了新的基準並加強了中性原子作為量子計算領先平台的地位。