將量子比特?cái)?shù)提升1個(gè)數(shù)量級(jí)，科學(xué)家用中性原子制備量子處理器，實(shí)現(xiàn)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(xiàn)退相干時(shí)間 12.6 秒，并且，達(dá)到了 23 分鐘的真空壽命。
該結(jié)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)者稱該研究為領(lǐng)域內(nèi)“最偉大的工作”，工業(yè)界則認(rèn)為該研究“將有可能瓦解比特幣的加密機(jī)制”。
該研究預(yù)示著量子計(jì)算可能在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)，并且有望在可以預(yù)計(jì)的未來實(shí)現(xiàn)落地應(yīng)用。
（來源：加州理工學(xué)院）如果能夠用量子計(jì)算的方式去探索、模擬、了解世界，意味著什么呢？
這說明，人類認(rèn)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，人類對(duì)于世界的認(rèn)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(fù)雜系統(tǒng)。從微觀的分子原子，到宏觀的天氣系統(tǒng)，其復(fù)雜程度遠(yuǎn)超現(xiàn)有計(jì)算機(jī)可以計(jì)算模擬的程度。
量子計(jì)算的出現(xiàn)，有望解決此前由于計(jì)算復(fù)雜性、算力不夠等原因而無法突破的問題，為人類社會(huì)和科技發(fā)展帶來革命性的改變，包括人工智能、超導(dǎo)、生物醫(yī)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(jī)理研究、藥物研發(fā)等方向或?qū)⒒诖烁斓厝〉猛黄啤?/span>
另一方面，人們還可以利用遠(yuǎn)超現(xiàn)在所有芯片的算力，來構(gòu)建前所未有的人工智能大模型，加快實(shí)現(xiàn)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(yù)印本網(wǎng)站 arXiv 上[1]。據(jù)悉，該論文目前處于國(guó)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(fù)責(zé)該項(xiàng)研究。
圖丨相關(guān)論文（來源：arXiv）
量子計(jì)算現(xiàn)狀：仍處于模擬計(jì)算的階段量子計(jì)算是人們一直以來的夢(mèng)想，最早由美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院士、諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者理查德·費(fèi)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(tǒng)的基于經(jīng)典物理定律的計(jì)算方式截然不同。
具體來說，在經(jīng)典計(jì)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(jì)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)被稱為“量子疊加”。
量子疊加賦予量子計(jì)算機(jī)處理大量數(shù)據(jù)的潛力，理論上可以實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)指數(shù)級(jí)加速的計(jì)算速度。量子比特的另一個(gè)關(guān)鍵特性，是量子糾纏。當(dāng)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(duì)量子計(jì)算的期待值很高，但量子計(jì)算至今仍未實(shí)現(xiàn)實(shí)質(zhì)性的落地應(yīng)用。
其主要原因在于，量子計(jì)算需要復(fù)雜的、大規(guī)模的量子系統(tǒng)，而現(xiàn)有的一些量子計(jì)算在硬件上能夠?qū)崿F(xiàn)的高質(zhì)量的比特?cái)?shù)量十分有限。
此外，量子計(jì)算實(shí)現(xiàn)的必要條件是高精度、高準(zhǔn)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(jì)算階段，并沒有真正地進(jìn)入到數(shù)字計(jì)算的時(shí)代。
迄今量子比特?cái)?shù)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(nèi)公認(rèn)的實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的做法是，將量子系統(tǒng)做得更大，然后用量子誤差校正（Quantum Error Correction，QEC）的方式，來降低量子計(jì)算的錯(cuò)誤率。
此前的量子處理器，最多能實(shí)現(xiàn)數(shù)十到數(shù)百量子比特。最近，該領(lǐng)域內(nèi)有相關(guān)報(bào)道稱量子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)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(xiàn)的量子比特?cái)?shù)比以往研究提升了約 1 個(gè)數(shù)量級(jí)，我認(rèn)為，這是一個(gè)具有里程碑意義的量級(jí)進(jìn)步。”呂旭東表示。
1947 年，美國(guó)物理學(xué)家威廉·肖克利（William Shockley）發(fā)明晶體管，取代了計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)中的真空管。然而，這些小部件需要半導(dǎo)體材料才能工作。
在經(jīng)典計(jì)算中，最初人們提出半導(dǎo)體的概念后，并不確定具體用哪種材料來制造它。早期的晶體管含有鍺，經(jīng)過嘗試和對(duì)比后，最終選擇了使用硅來制備半導(dǎo)體，正是因?yàn)樗杀灰?guī)?；图苫?/span>
與之類似，中性原子是一種量子比特的實(shí)現(xiàn)方法，包括原子制備、量子受控門操作、量子態(tài)測(cè)量、誤差糾正和量子存儲(chǔ)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(kuò)展性。
該團(tuán)隊(duì)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（來源：arXiv）據(jù)了解，整個(gè)系統(tǒng)搭建歷經(jīng)近三年時(shí)間。該團(tuán)隊(duì)將光鑷與偏振結(jié)合，通過視場(chǎng)直徑為 1.5mm 的高數(shù)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(qū)域。
為最大程度地降低干擾原子的因素、減小光鑷加熱效應(yīng)，并使其均勻分布在光鑷中，研究人員在室溫真空腔中設(shè)計(jì)了一種特別的遠(yuǎn)共振波長(zhǎng)，從而實(shí)現(xiàn)了低損耗、高保真成像和長(zhǎng)超精細(xì)相干時(shí)間的成像。
該系統(tǒng)在制備過程中充滿了挑戰(zhàn)。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(qiáng)達(dá)到約 100-200W 左右。對(duì)此，論文中這樣描述：這么強(qiáng)的激光，在冷原子實(shí)驗(yàn)中并不多見，導(dǎo)致的光學(xué)組件溫度升高等問題需要解決。
另外，如果原子的壽命很短，那么整個(gè)系統(tǒng)的原子越多，它出錯(cuò)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(yàn)系統(tǒng)示意圖（來源：arXiv）為了解決上述該問題，研究人員通過原子冷卻、原子捕獲等一系列方法，對(duì)原子進(jìn)行約 10 毫秒的 2D 偏振梯度冷卻。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)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(duì)于實(shí)驗(yàn)原子的影響。
通過該方法，實(shí)驗(yàn)還實(shí)現(xiàn)了原子在光鑷中近 23 分鐘的真空壽命，該指標(biāo)系在不使用低溫系統(tǒng)的情況下，目前最長(zhǎng)的光鑷中原子真空壽命。“我們將整個(gè)重要的過程控制在毫秒量級(jí)，因此這 20 多分鐘時(shí)間幾乎可以不計(jì)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(xiàn)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(zhǎng)退相干時(shí)間，與以往研究相比，提升了約 1 個(gè)數(shù)量級(jí)。
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(jié)果加上重排列和特定的糾錯(cuò)碼，如果具有約 1 萬個(gè)原子量子比特的高保真度的量子計(jì)算機(jī)是近期可能的前景，為實(shí)現(xiàn)具有數(shù)百個(gè)邏輯量子比特的量子糾錯(cuò)提供了一條新路徑?！眳涡駯|說。
有望開啟量子計(jì)算的新紀(jì)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(guó)加州大學(xué)伯克利分校，博士階段的主要研究方向?yàn)榱孔泳軠y(cè)量和儀器。
博士期間師從國(guó)美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院士、美國(guó)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(zhǎng)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(dǎo)師為曼努埃爾·A·恩德雷斯（Manuel A. Endres）教授。
該課題組從 2016 年開始，利用中性原子進(jìn)行量子計(jì)算和量子模擬，實(shí)現(xiàn)用光鑷捕獲原子，并通過該方法將原子重新排列實(shí)現(xiàn)光鑷陣列。近期，他們還開發(fā)出一種新方法，讓經(jīng)典計(jì)算機(jī)不被完全模擬，也可以預(yù)測(cè)量子計(jì)算機(jī)的錯(cuò)誤率[2]。
“正是團(tuán)隊(duì)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|說道。
實(shí)際上，把原子放在光鑷中很容易產(chǎn)生移動(dòng)，因?yàn)樵酉到y(tǒng)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(shì)，今年年初另一個(gè)課題組在中性量子計(jì)算平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了 48 個(gè)邏輯比特[3]。
據(jù)了解，其他平臺(tái)從未實(shí)現(xiàn)過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(shì)。他表示：“中性原子系統(tǒng)邏輯比特的質(zhì)量，未來也會(huì)越來越高?！?/span>
根據(jù)論文，下一步，該課題組計(jì)劃一方面計(jì)劃繼續(xù)增加比特?cái)?shù)；另一方面，目前 6100 個(gè)量子比特在實(shí)驗(yàn)中的位置是隨機(jī)的，研究人員打算將它們有序地排列起來。此外，他們還將探索在量子門電路量子糾錯(cuò)等方向。
呂旭東認(rèn)為，量子計(jì)算在量子模擬或模擬材料系統(tǒng)觀測(cè)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?duì)量子計(jì)算持比較樂觀的態(tài)度，相信過不了多久就會(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(tǒng)的可擴(kuò)展性，一定程度上開創(chuàng)了大規(guī)模比特的量子計(jì)算的時(shí)代。在此基礎(chǔ)上，量子計(jì)算有望開啟一個(gè)新的紀(jì)元。類比于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，這有可能是從“真空管時(shí)代”到“集成電路時(shí)代”轉(zhuǎn)變的開端。
排版：劉雅坤
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