北京
近日，我国量子计算领域技术研究取得突破性进展。相关实验利用人工智能技术，实现了高度的并行性以及与阵列规模无关的常数时间消耗，在60毫秒内成功构建了多达2024个原子的无缺陷二维和三维原子阵列，刷新了中性原子体系无缺陷原子阵列规模的世界纪录。
数千原子无缺陷二维和三维阵列重排实验结果图 本文均为受访者供图
8月9日，这项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、中国科学技术大学联合开展的研究成果，发表在国际学术期刊《物理评论快报》上，并被美国物理学会《物理》作为研究亮点专门报道。
审稿人高度评价这项研究工作，认为这一工作“标志着原子相关量子物理领域在计算效率和实验可行性方面的一次重大飞跃”，“是一种创新的方法，具有明确且实用的优势，对于原子阵列实验这一庞大且不断发展的研究群体将具有重要吸引力”。
AI赋能量子计算研究突破
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是该研究的负责人之一。钟翰森表示，AI和量子结合的研究目前来讲并不多，而这项工作相当于AI和量子结合相对早期的探索。这次探索针对的是中性原子量子计算领域，上海在这一领域已率先开展布局。
因为具有优异的扩展性、高保真度量子门、高并行性和任意的连接性，中性原子体系是极具潜力的量子计算和量子模拟平台。该体系使用光镊阵列囚禁中性原子，首先需要通过重排技术将初始随机填充的原子阵列转换成无缺陷原子阵列，在此基础上进行量子逻辑门操作。
然而，传统的重排方法受限于随阵列规模增长的时间复杂度、原子丢失、计算速度等，阵列规模停留在几百个原子的水平，难以进一步扩展。AI的发展为研究团队提供了新的思路，为了攻克这个难题，研究团队创新性地研发AI技术，实时驱动高速空间光调制器进行动态刷新，通过对光镊阵列位置和相位的精确控制，同时移动所有原子。
通俗地说，过去技术无法自如地控制光镊来移动原子，只能一个个原子依次进行。如今依赖AI算法，研究人员能够一次性完成光镊阵列的调控，不论多大规模的阵列都可以实现原子同步移动。
实验装置示意图
在该工作中，研究团队演示了二维和三维原子阵列的任意构型重排，实现了高达2024个原子的无缺陷阵列，总耗时仅为60毫秒。而随着原子阵列规模增大，该重排方法能够将耗时保持不变，未来可以直接应用于数万原子规模的无缺陷阵列重排。目前，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，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。
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，这项研究借助AI找到了极为有效的方法，体现了速度快、精度高、可扩展的三大优点。在他看来，这是可以写进中性原子量子计算机发展史的里程碑技术突破，而这项突破“源自中国”。
量子研究的未来
2024个原子的无缺陷阵列已经刷新世界纪录，而对于这项重排技术来说，2024还远不是上限。在算力角度上，目前实现2024个原子阵列重排的，仅需两张英伟达4090显卡。之所以目前仅构建这一数目的阵列，很大程度上是受限于其他技术和硬件条件等。
如果用“木桶理论”来解释，那么原子阵列重排技术的突破实现了其中一块“木板”的飞跃，而要真正把量子比特的规模扩大，还需要解决多个领域的问题。目前在算法模拟环境中验证，把2024个原子扩大到数万个不是问题，而要在实际的实验平台上实现，下一步必须提高激光器的功率，测试更多极限性能，进一步提升平台能力。
钟翰森表示，单项指标目前已经取得领先，但从单项指标走向工程化、系统化、集成化的过程中，还有很多工作要做。领域内不同的研究团队在不断地把木桶的所有木板凑齐，只不过各自的路径不同。
我们离通用量子计算机还有多远呢？在未来3-5年的时间内，量子计算机能够在一些狭窄的领域作为科学工具帮助人们开展研究，而要实现密码破译等大规模应用，还需要10年左右。
此次的技术突破由上海和安徽合作而成，既体现了高水平的科研，又体现了“有组织的兵团作战”。现阶段，量子计算作为重要的未来产业，受到上海的高度重视。去年，上海启动了量子计算机整机的研制，目前正在策划量子计算未来产业集聚区的建设。市科委相关处室负责人表示，接下来要持之以恒支持整机研制，力争在装备设备领域突围，尤其要培养更多量子领域的年轻人。
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