上海“AI+量子计算”刷新世界纪录！仅用两块GPU，如何做到？

在备受关注的量子计算领域，在沪科学家最新完成了一次里程碑式的创新，刷新了一项世界纪录。记者昨天从市科委获悉，通过人工智能（AI）和量子计算的跨界融合，由上海量子科学研究中心（合肥实验室上海基地）、上海人工智能实验室、中国科学技术大学等组成的联合团队，构建了世界规模最大的无缺陷二维和三维原子阵列，规模达到2024个原子，远超此前数百个原子的极限。相关论文近日以“编辑推荐”形式发表于国际期刊《物理评论快报》，美国物理学会期刊《物理》报道了这一研究亮点。

业内人士告诉记者，作为衡量量子计算“脑容量”的关键指标，无缺陷原子阵列的规模非常重要，这一成果进一步奠定了我国在量子计算部分关键环节的“全球领跑”地位。未来，基于这一成果，原子阵列的规模有望继续大幅增长，从而加速量子计算机走向现实。

相关实验装置示意图

“从0到1”的里程碑式创新

量子计算机被认为是解锁算力限制的终极钥匙，有能力在瞬间破解传统计算机需数千年才能完成的难题。目前，全球多个国家正围绕量子计算原型机的研发展开较量，几条技术路线并行推进，包括超导、离子阱、光子量子等，其中中性原子量子体系因具有高扩展性、高保真度、高并行性等优势，成为极具潜力的量子计算和量子模拟平台。

中性原子量子计算机，不像传统电脑那样靠芯片提供算力，而是以原子为基本单元，但前提是要用光镊，也就是用激光构筑“陷阱”，将原子捕获并摆布成阵列。实际操作中，光镊捕捉原子的成功率不高，这意味着，总有些原子在阵列中“缺席”或“站错队”——这有点像是搭乐高，如果一些积木缺失，就会影响整个结构，最终导致量子计算无法实现。

为此，科学家在排出原子阵列后，必须及时查遗补漏，修复缺陷。但传统修复方法速度很慢，特别是随着原子阵列规模的扩大，修复时间会爆炸式增长，很容易出现缺陷尚在修复、脆弱的原子阵列已然“等不起”而失效的情况。因此，长期以来，中性原子阵列的规模止步于数百个原子，其通往真正量子计算机的道路也严重受阻。

此次在各方支持下，在沪科学家团队利用AI大模型技术，彻底解决了原子阵列的修复难题，使中国在量子计算机的一项关键核心技术上成功“卡位”，实现了“从0到1”里程碑式的突破。

简单说，过去的修复技术之所以难以提速，是因为面对大量缺陷，只能用一只光镊将原子逐一摆放到位，数千原子的阵列，修复耗时可能长达数十秒。而AI的介入，相当于可以同时操控成千上万只“镊子”，将所有原子瞬间重新摆放到位。

实测显示，项目团队在构建创纪录的无缺陷原子阵列时，耗时不到60毫秒。更令人惊叹的是，该成果在原理上使得修复缺陷的时间与原子阵列的规模无关。换句话说，不管构建的阵列拥有100个还是100万个原子，修复耗时都一样。

此外，该成果还实现了极高的系统精度指标。据介绍，该系统单比特门保真度达99.97%，双比特门保真度达99.5%，探测保真度达99.92%，已追平以美国哈佛大学为代表的国际最高水平，这进一步为构建基于中性原子阵列的容错通用量子计算机奠定了技术基础。

显然，该成果极大地化解了困扰中性原子量子计算机研发的一大瓶颈。难怪论文在《物理评论快报》发表时，得到了“编辑推荐”的待遇，并被美国物理学会《物理》作为研究亮点专门报道。

中国科学技术大学上海研究院执行院长、上海量子科学研究中心副主任陆朝阳表示，这一成果是目前“AI+量子”研究最具代表性的案例。而据牵头推进相关AI算法开发的上海人工智能实验室青年科学家、上海创智学院全时导师钟翰森透露，该论文在预印平台刚一发布，就有国际顶尖学术团队“等不及”前来沟通，希望探讨进一步合作的可能性。而如今，短短几个月时间，国际上已有更多团队开始跟进，因为大家都看到了它给大规模中性原子阵列量子计算平台研发注入的希望。

重磅成果为何诞生在上海

面对这样一项重磅成果，人们总会追问一句“为什么”——为什么它能在上海诞生，后续它会给相关研究带来哪些重要启示？

据市科委介绍，这一突破，体现了AI4S （人工智能驱动的科学研究）的重大价值。目前，AI4S 已成为全球人工智能的前沿领域，从假说提出、实验设计、数据收集与分析到反思回顾等多个维度推动科研发展。在量子计算层面，由于这是一个更加前瞻性的领域，要形成足够的跨界人才储备——既懂量子物理、又懂人工智能，非常难，因此国内外此前在该领域一直没能形成有影响力的成果。

近年来，上海将量子计算作为未来产业发展的重点领域进行布局，积极营造和完善创新生态，加大顶尖人才培育力度，吸引各地优秀团队来沪发展，促成“高水平集团作战”的科研合作模式。这些举措正在产生实实在在的效果，此次的重磅成果就是一项具有说服力的例证。

钟翰森2022年从中国科技大学量子信息物理学专业博士毕业，随后来到上海人工智能实验室。这次“跨界”为他后来提出从AI算法入手解决原子排布问题，提供了难得的视野和实践机会。同时，随着中科大量子团队“落沪”，他和团队开发的AI算法也可直接在量子系统层面进行整合、优化。

值得一提的是，在该成果强大的原子阵列修复算法背后，为其提供算力的只是两块普通的4090图形加速器显卡（GPU），这也从另一个侧面展现了上海”AI+量子计算”的工程化能力。

此次重磅成果为中性原子量子计算机的研发解决了诸多瓶颈中的一个，未来还有待更多关键技术与工程化突破。业内科学家预测，未来三到五年，量子计算机可能成为解决某些特定问题的利器，十年后有望迎来大规模应用。

作为未来产业布局发展的重点方向之一，上海已组建量子计算项目经理团队，形成未来产业培育方案，正在进行全要素和全链条布局，包括整机、仪器设备、算法软件、人才、应用场景和投资基金等。当前，上海还策划打造量子计算未来产业集聚区，以进一步集聚顶尖人才、独角兽企业、高质量孵化器等资源，持续提高创新的浓度，加速产业培育与落地。