实用量子计算最具潜力候选者？中性原子阵列量子计算机前沿进展介绍

量子计算提出到今天有40多年了，为寻找最合适量子计算的量子比特，人们找遍了各种量子物理系统：离子阱、单光子、中性原子阵列、量子点、超导电路、金刚石色心……最近几年，随着量子计算优越性得到实验演示，量子纠错超越盈亏平衡点、实现容错量子计算成为实验室中攻关的重点，实用量子计算机曙光初现。

在所有这些物理系统中，中性原子阵列量子计算机（以下简称中性原子量子计算）最近几年进步神速。2023年12月，美国哈佛大学Lukin组首次用中性原子量子计算展示了量子纠错，基于128个原子实现了48个逻辑量子比特，并对逻辑量子比特施加了量子门操作，引发广泛关注。正是由于这个标志性的实验，中性原子阵列被认为是实现实用量子计算最有希望的候选者之一。关注中性原子量子计算的人越来越多，借助这篇短文，笔者简要介绍一下这个研究方向。

01

技术特点与技术原理

与超导等其他量子计算路线相比，中性原子量子计算最突出的特点（优势）如下：

1.规模最大，已实现超过6000个原子量子比特的阵列和操控，且规模还在迅速扩展中，预计量子比特数很快能突破10000量级。目前超导电路与离子阱系统量子计算机包含的量子比特数分别为1000和100量级。

2.利用偶极相互作用和对原子阵列的移动，可实现非紧邻且并行的高保真度量子门，特别适合量子算法的高效编译与容错量子计算的实现。

▲ 图一 中性原子量子计算机示意图，摘自Nature 604, 451 (2022)

典型的中性原子量子计算机如图一所示，中性原子先被装载到光镊中形成无缺陷的阵列（Zone2），然后移动原子到相互作用区（Zone1），通过激光操控原子的间距和内态到里德堡态，实现原子间的控制Z门、量子纠缠，乃至任意量子算法。

02

起源与发展——中性原子量子计算发展大事记

▲ 图二 M. Lukin（左），M Greiner（右）

中性原子量子计算的发展最早可追溯到本世纪初，除了前文提到的M.Lukin，还有一位M.Greiner。有趣的是，他二人也分别代表了中兴原子量子计算发展道路上的两项重要技术。而他们后来的合作，也最终将中性原子量子计算推上了从科研向应用发展的快车道。

2000年，Jaksch与Lukin等人合作 把原子囚禁在光阱阵列中并激发到里德堡态【注1】，利用其偶极相互作用可以实现通用量子逻辑门乃至量子计算。

2001年，M. Lukin人提出的把一团里德堡原子囚禁在光阱中，从而定义量子比特以及实现通用量子逻辑门的技术路线。

2002年，德国马普所 的M. Greiner等人在基于光晶格的冷原子量子模拟技术方面取得的突破性进展。

2009年，M．Greiner发明了 ，可以探测到光晶格中的单个原子。冷原子显微镜技术为中性原子阵列量子计算扫平了最大的障碍。

2016年，Lukin与Greiner成功会师。他们合作实现首次实现了一维无缺陷原子阵列实验。

如图一所示，他们先搭建了100个光镊的一维阵列，并把被激光冷却的原子团加载在这个光镊阵列上，大概有一半的光镊中装载原子。然后他们利用冷原子显微镜技术给这个光镊阵列拍照，识别出哪些光镊中有原子。通过对荧光计数进行统计分析，也可以确认每个光镊中最多只有一个原子。然后调控那些占据了原子的光镊位置，可在1秒内实现超过50个中性原子的 。

与此同时，法国国家科学研究中心的Antoine Browaeys教授组也独立实现了无缺陷的 。不仅如此，他们还能实现对原子阵列的任意排布，组成任意的二维图样，如图三所示。

▲ 图三 二维中性原子阵列荧光

自此之后，中性原子阵列量子计算与量子模拟技术发展步入快车道。2017年Lukin组实现了51个里德堡原子阵列Ising型量子多体自旋模型。

2021年，Lukin组和Browaeys组各自独立的实现了包含数百个里德堡原子阵列的量子模拟器，实现了包含两百个原子的反铁磁相相变。接下来，Lukin组又 实现 了，并制备了图态、表面码量子态等。这表明此系统不仅能作为可编程的量子模拟器，还能实现大规模通用容错量子计算。

▲ 图四 利用中性原子阵列量子模拟器解最大割问题算法示意图，摘自Science 376, 1209 (2022)

03

应用的探索——从科研转向产业化

从2022年开始，中性原子量子计算开始了应用上的探索。2022年初，Lukin组发表 论文 ，基于多达289个里德堡原子阵列实现 ，可高效解决最大独立集合问题，这是一个NP-hard的优化问题。他们通过理论分析认为此设备的计算速度可以产生平方加速。在实验中，通过与经典算法比较，对于那些最难的问题来说，他们认为已经产生了量子加速优势。

谷歌超导量子计算机“悬铃木”推出的同一年，2019年，Lukin和Greiner等人发起成立创业公司 ，2021年拿到1700万美金的风险投资。2023年，QuEra更是获得超过3000万美元的风投。

▲ 图五 QuEra公司

法国Browaey教授也在2019年创办了 ，推进里德堡原子阵列技术产业化，已经获得上亿欧元的风投。

2022年1月，Nature杂志选出了7项 ，基于里德堡原子阵列的量子模拟技术名列其中。

中国科学家们也加入了这个研究领域的产业化。2020年，中科院精密测量科学与技术创新研究院詹明生研究团队创办了 ，先后获得数千万人民币风投，前不久发布了超过100个量子比特的中性原子量子计算机。

▲ 图六 中科酷原公司，专注于量子技术的原始创新和技术研发

中性原子量子计算系统也存在一些技术挑战亟待克服。首先是系统稳定性问题。测量时要依赖原子荧光，不可避免的会对原子反冲加热。由于光镊势阱深度相对较浅，有可能会把原子踢出去。实现量子算法时需要把原子打到里德堡态，也会影响光镊的稳定性。其次是量子门的速度问题：相比超导电路系统，中性原子量子计算的量子门速度要慢几个数量级。最后是测量和初始化速度问题，测量与初始化的特征时间也比超导电路慢几个数量级。这些问题综合起来，极大地限制了中性原子量子计算的速度。要解决这些问题，需要使用功率更大、频率更窄，稳定性更高的激光器，其次光路的锁相和锁频技术也需要发展到极限。

04

从现状与展望

2024年1月，QuEra公司 发布 ，对未来3年的技术做了展望：

▲ 图七 QuEra公司发布的中性原子量子计算路线图

2024年：推出具有10个逻辑量子比特（256个物理量子比特）的量子计算机，并在逻辑量子比特上实现容错的横向量子门，横向量子门不会导致错误在量子电路中传播，容易纠错。

2025年：推出有30个逻辑纠错量子比特和魔态蒸馏的增强型量子计算机，其中包含3000多个物理量子比特。允许执行非克利福德门，这对于实现通用量子计算至关重要。

2026年：推出拥有100个逻辑量子比特和超过10000个物理量子比特的量子计算机，从而实现深度逻辑量子电路，推动量子计算超越经典模拟的极限。

这个规划环环相扣，不仅把逻辑量子比特数目推进到100的量级，实现对量子信息的保护，还将基于逻辑量子比特实现容错量子门，从而实现深度容错量子电路，将使计算可靠性与量子比特数目两方面同时跃进，标志着大规模深度容错量子计算时代的到来。

这个三年规划体现了QuEra公司实现实用可容错量子计算的野心和信心。这个极具前景的行业吸引了不少技术人才和科研团队入场。笔者有位师弟曾在Lukin组做博后，2019年加入了QuEra公司负责量子算法理论。前几年我带过的一位本科生，2023年从瑞士ETH硕士毕业后转去了德国马普所Bloch组念博士，做的方向也是中性原子量子模拟与量子计算。

在2024年CCF量子计算大会上，中性原子量子计算也是绝对的明星技术路线，国内已经有很多实验组开始尝试这个方向，希望抓住基于该技术容错量子计算的历史机遇。中国科学技术大学陆朝阳教授在大会报告中透露，他们实验室已经实现了超过2000个原子的量子计算机。笔者期待三年后，中国科学家在中性原子量子计算中也能步入世界最先进的水平。

注1：所谓里德堡态，指被激发到轨道数n=50-100的高激发态原子，此时原子能级寿命达10微秒量级，原子轨道半径在微米量级，可实现距离微米量级中性原子之间的量子门。

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