將量子比特數提升1個(gè)數量級，科學(xué)家用中性原子制備量子處理器，實(shí)現6100個(gè)量子比特
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研究人員展示了用 12000 個(gè)光鑷陣列捕獲 6100 個(gè)中性原子，實(shí)現退相干時(shí)間 12.6 秒，并且，達到了 23 分鐘的真空壽命。
該結果一經(jīng)發(fā)布，馬上在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界引起了震動(dòng)。一些知名學(xué)者稱(chēng)該研究為領(lǐng)域內“最偉大的工作”，工業(yè)界則認為該研究“將有可能瓦解比特幣的加密機制”。
該研究預示著(zhù)量子計算可能在短期內實(shí)現，并且有望在可以預計的未來(lái)實(shí)現落地應用。
（來(lái)源：加州理工學(xué)院）如果能夠用量子計算的方式去探索、模擬、了解世界，意味著(zhù)什么呢？
這說(shuō)明，人類(lèi)認知世界的方式發(fā)生了本質(zhì)的變化，我們將進(jìn)入到一個(gè)新的算力爆發(fā)的時(shí)代。
在此之前，人類(lèi)對于世界的認知具有一定的局限。其中一個(gè)原因在于，整個(gè)世界是一個(gè)復雜系統。從微觀(guān)的分子原子，到宏觀(guān)的天氣系統，其復雜程度遠超現有計算機可以計算模擬的程度。
量子計算的出現，有望解決此前由于計算復雜性、算力不夠等原因而無(wú)法突破的問(wèn)題，為人類(lèi)社會(huì )和科技發(fā)展帶來(lái)革命性的改變，包括人工智能、超導、生物醫藥、新材料、加密解密等諸多領(lǐng)域。
例如，包括蛋白質(zhì)之間分子相互作用等疾病機理研究、藥物研發(fā)等方向或將基于此更快地取得突破。
另一方面，人們還可以利用遠超現在所有芯片的算力，來(lái)構建前所未有的人工智能大模型，加快實(shí)現通用型人工智能的步伐。
近日，相關(guān)論文以《具有 6100 個(gè)高相干原子量子位元的光鑷陣列》（A tweezer array with 6100 highly coherent atomic qubits）為題發(fā)表在預印本網(wǎng)站 arXiv 上[1]。據悉，該論文目前處于國際頂刊審稿狀態(tài)。
加州理工學(xué)院碩士研究生漢納·J·曼蒂奇（Hannah J. Manetsch）、野村行平（Gyohei Nomura）、艾力·巴塔伊（Elie Bataille）為共同第一作者，該校博士后研究員呂旭東和曼努埃爾·A·恩德雷斯（Manuel A. Endres）教授共同負責該項研究。
圖丨相關(guān)論文（來(lái)源：arXiv）
量子計算現狀：仍處于模擬計算的階段量子計算是人們一直以來(lái)的夢(mèng)想，最早由美國國家科學(xué)院院士、諾貝爾物理學(xué)獎獲得者理查德·費曼（Richard Feynman）提出。
它是一種全新的信息處理方式，基于量子力學(xué)的原理，與傳統的基于經(jīng)典物理定律的計算方式截然不同。
具體來(lái)說(shuō)，在經(jīng)典計算中，信息被編碼在比特上，每個(gè)比特或者是 0，或者是 1。而在量子計算中，基本的信息單位是量子比特，它可以同時(shí)處于 0 和 1 的狀態(tài)，這種狀態(tài)被稱(chēng)為“量子疊加”。
量子疊加賦予量子計算機處理大量數據的潛力，理論上可以實(shí)現比傳統計算機指數級加速的計算速度。量子比特的另一個(gè)關(guān)鍵特性，是量子糾纏。當兩個(gè)量子比特糾纏在一起時(shí)，一個(gè)量子比特的狀態(tài)會(huì )即時(shí)影響到另一個(gè)量子比特的狀態(tài)。
與此同時(shí)，我們也必須看到，雖然人們對量子計算的期待值很高，但量子計算至今仍未實(shí)現實(shí)質(zhì)性的落地應用。
其主要原因在于，量子計算需要復雜的、大規模的量子系統，而現有的一些量子計算在硬件上能夠實(shí)現的高質(zhì)量的比特數量十分有限。
此外，量子計算實(shí)現的必要條件是高精度、高準確度，而不可忽視的是，量子比特在實(shí)際操作中極易受到噪聲和干擾的影響。
因此，實(shí)際上我們一直所處于的是模擬計算階段，并沒(méi)有真正地進(jìn)入到數字計算的時(shí)代。
迄今量子比特數最多的量子處理器需要了解的是，很多物理比特才能組合成為一個(gè)邏輯比特。在行業(yè)內公認的實(shí)現量子計算的做法是，將量子系統做得更大，然后用量子誤差校正（Quantum Error Correction，QEC）的方式，來(lái)降低量子計算的錯誤率。
此前的量子處理器，最多能實(shí)現數十到數百量子比特。最近，該領(lǐng)域內有相關(guān)報道稱(chēng)量子系統實(shí)現了約 1000 個(gè)原子，但其并未定義量子比特或展示相干控制。
“我們實(shí)現的量子比特數比以往研究提升了約 1 個(gè)數量級，我認為，這是一個(gè)具有里程碑意義的量級進(jìn)步。”呂旭東表示。
1947 年，美國物理學(xué)家威廉·肖克利（William Shockley）發(fā)明晶體管，取代了計算機設計中的真空管。然而，這些小部件需要半導體材料才能工作。
在經(jīng)典計算中，最初人們提出半導體的概念后，并不確定具體用哪種材料來(lái)制造它。早期的晶體管含有鍺，經(jīng)過(guò)嘗試和對比后，最終選擇了使用硅來(lái)制備半導體，正是因為它可被規?；图苫?。
與之類(lèi)似，中性原子是一種量子比特的實(shí)現方法，包括原子制備、量子受控門(mén)操作、量子態(tài)測量、誤差糾正和量子存儲等關(guān)鍵步驟都可被不斷地提升發(fā)展，并且具有極大的可擴展性。
該團隊在每個(gè)光鑷中放一個(gè)原子，利用 12000 個(gè)光鑷捕獲了 6100 個(gè)量子比特。
圖丨 a、在 12000 個(gè)光鑷陣列上的單個(gè)銫原子的代表性單鏡頭圖像；b、在一個(gè) 12000 個(gè)鑷子陣列上的單個(gè)原子的平均圖像（來(lái)源：arXiv）據了解，整個(gè)系統搭建歷經(jīng)近三年時(shí)間。該團隊將光鑷與偏振結合，通過(guò)視場(chǎng)直徑為 1.5mm 的高數值孔徑物鏡聚焦，為超高真空中的量子比特捕獲和操作提供了廣闊的區域。
為最大程度地降低干擾原子的因素、減小光鑷加熱效應，并使其均勻分布在光鑷中，研究人員在室溫真空腔中設計了一種特別的遠共振波長(cháng)，從而實(shí)現了低損耗、高保真成像和長(cháng)超精細相干時(shí)間的成像。
該系統在制備過(guò)程中充滿(mǎn)了挑戰。例如，需要在生成大量的原子后，保證它均勻地分布在光鑷中，這需要光強達到約 100-200W 左右。對此，論文中這樣描述：這么強的激光，在冷原子實(shí)驗中并不多見(jiàn)，導致的光學(xué)組件溫度升高等問(wèn)題需要解決。
另外，如果原子的壽命很短，那么整個(gè)系統的原子越多，它出錯的概率也會(huì )越高，因此還需要盡可能地提升原子的壽命。
圖丨實(shí)驗系統示意圖（來(lái)源：arXiv）為了解決上述該問(wèn)題，研究人員通過(guò)原子冷卻、原子捕獲等一系列方法，對原子進(jìn)行約 10 毫秒的 2D 偏振梯度冷卻。同時(shí)，實(shí)驗人員使用極高的真空打造了一個(gè)非常干凈的背景環(huán)境，大大避免了背景粒子對于實(shí)驗原子的影響。
通過(guò)該方法，實(shí)驗還實(shí)現了原子在光鑷中近 23 分鐘的真空壽命，該指標系在不使用低溫系統的情況下，目前最長(cháng)的光鑷中原子真空壽命。“我們將整個(gè)重要的過(guò)程控制在毫秒量級，因此這 20 多分鐘時(shí)間幾乎可以不計誤差?！眳涡駯|表示。
相干時(shí)間與保持量子特性緊密相關(guān)，研究人員還實(shí)現了 12.6 秒的退相干時(shí)間。這是截至目前堿金屬原子在光鑷中的最長(cháng)退相干時(shí)間，與以往研究相比，提升了約 1 個(gè)數量級。
與此同時(shí)，他們還展示了單個(gè)銫原子的成像，并創(chuàng )造了新的記錄。其中，成像存活概率為 99.98952%，成像保真度為 99.99374%。
“我們的結果加上重排列和特定的糾錯碼，如果具有約 1 萬(wàn)個(gè)原子量子比特的高保真度的量子計算機是近期可能的前景，為實(shí)現具有數百個(gè)邏輯量子比特的量子糾錯提供了一條新路徑?！眳涡駯|說(shuō)。
有望開(kāi)啟量子計算的新紀元呂旭東本科和博士分別畢業(yè)于北京大學(xué)物理學(xué)院和美國加州大學(xué)伯克利分校，博士階段的主要研究方向為量子精密測量和儀器。
博士期間師從國美國國家科學(xué)院院士、美國藝術(shù)與科學(xué)院院士亞歷山大?派因斯（Alexander Pines）和加州大學(xué)伯克利分?；瘜W(xué)和生物分子工程學(xué)院院長(cháng)杰夫?里莫（Jeffrey Reimer）教授。
圖丨呂旭東（第一排右二）與所在課題組（來(lái)源：呂旭東）目前，呂旭東在加州理工學(xué)院從事博士后研究，合作導師為曼努埃爾·A·恩德雷斯（Manuel A. Endres）教授。
該課題組從 2016 年開(kāi)始，利用中性原子進(jìn)行量子計算和量子模擬，實(shí)現用光鑷捕獲原子，并通過(guò)該方法將原子重新排列實(shí)現光鑷陣列。近期，他們還開(kāi)發(fā)出一種新方法，讓經(jīng)典計算機不被完全模擬，也可以預測量子計算機的錯誤率[2]。
“正是團隊此前多年扎實(shí)的技術(shù)累積，才有了這次的新成果?！眳涡駯|說(shuō)道。
實(shí)際上，把原子放在光鑷中很容易產(chǎn)生移動(dòng)，因為原子系統比較靈活，任意兩個(gè)比特之間可以相互作用。
基于這種優(yōu)勢，今年年初另一個(gè)課題組在中性量子計算平臺上實(shí)現了 48 個(gè)邏輯比特[3]。
據了解，其他平臺從未實(shí)現過(guò)如此高效率的邏輯比特，這也是一個(gè)振奮人心的進(jìn)展，展示出中性原子路徑的優(yōu)勢。他表示：“中性原子系統邏輯比特的質(zhì)量，未來(lái)也會(huì )越來(lái)越高?！?/span>
根據論文，下一步，該課題組計劃一方面計劃繼續增加比特數；另一方面，目前 6100 個(gè)量子比特在實(shí)驗中的位置是隨機的，研究人員打算將它們有序地排列起來(lái)。此外，他們還將探索在量子門(mén)電路量子糾錯等方向。
呂旭東認為，量子計算在量子模擬或模擬材料系統觀(guān)測新物態(tài)，可能會(huì )更早地落地，在人工智能方面也將發(fā)揮巨大作用?！拔覍α孔佑嬎愠直容^樂(lè )觀(guān)的態(tài)度，相信過(guò)不了多久就會(huì )看到其初步可用?！?/span>
該研究的里程碑意義在于，展示了量子處理器系統的可擴展性，一定程度上開(kāi)創(chuàng )了大規模比特的量子計算的時(shí)代。在此基礎上，量子計算有望開(kāi)啟一個(gè)新的紀元。類(lèi)比于傳統計算機，這有可能是從“真空管時(shí)代”到“集成電路時(shí)代”轉變的開(kāi)端。
排版：劉雅坤
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