潘建伟团队突破量子操控极限！AI助力2024个原子60毫秒精准重排

时令 发自 凹非寺
量子位 | 公众号 QbitAI

量子计算领域新里程碑，刷新世界纪录！

潘建伟团队利用AI技术，在60毫秒内成功构建多达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。

为了展示这一快速重新排列数千个原子的新系统，研究人员还制作了一段以薛定谔的猫为主角的动画（包含549个原子）。

相关成果已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》期刊作为研究亮点专门报道。

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。

仅用60毫秒重排2024个原子

在介绍此研究之前，我们先看一下这个原子重排的技术到底有多牛。下面先展示一段以“薛定谔的猫”为主角的视频。

该视频以约33倍的慢速播放，展示了铷原子在230×230μm光镊阵列中的动态排列过程。

研究人员通过检测原子受激光脉冲激发产生的荧光信号，对多达549个原子的空间位置进行实时成像与追踪。

为了进一步展示该系统的强大，研究团队还特意制作了下图，展示原子在三个水平层中复杂而精确的排列，其中每一层都模拟了石墨烯的结构（右下角插图）。

那为什么要研究中性原子体系呢？

首先，中性原子体系是指由不带电的中性原子组成的系统，因具备优异的扩展性、高保真度量子门、高并行性和任意的连接性，被认为是极具潜力的量子计算和量子模拟平台。

在该体系中，中性原子被囚禁于光镊阵列中。为开展量子逻辑门操作，需先利用重排技术，将最初随机填充的原子阵列转化为无缺陷阵列。

然而，传统的重排方法受限于阵列规模增加带来的时间复杂度、原子丢失及计算速度等问题，阵列规模长期停留在数百个原子的水平，难以进一步提升。

量子计算机与这种重排方法有密切关系，它通常由一个或多个二维光学陷阱阵列中的原子构成，每个原子充当一个量子比特。在计算过程中，需要在阵列中移动大量原子。

针对这一瓶颈，中国科学技术大学潘建伟院士、陆朝阳教授等合作者创新性地利用人工智能技术，实现了高度的并行性，并使操作时间与阵列规模无关，仅用60毫秒就成功构建了多达2024个原子的无缺陷二维和三维原子阵列。

简单来说，就是以往技术无法灵活操控光镊移动原子，只能逐个调整。如今借助AI算法，研究人员能够一次性完成光镊阵列调控，实现任意规模阵列中原子的同步移动。

实验装置示意图

审稿人对此项研究工作给予了高度评价：

• 通过组装2024个原子的阵列创造了新的纪录。
• 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。

目前，2024个原子的无缺陷阵列已经刷新纪录。不过，对这一重排技术来说，这个数字还远未到极限。从算力角度看，实现该规模阵列的重排只需两块英伟达4090显卡。当前之所以停留在这一规模，更多是受到其它技术与硬件条件的制约。

如果用 “木桶理论” 来形容，这次在原子阵列重排上的进展，相当于其中一块木板有了质的提升，而要真正扩展量子比特的数量，还需要在多个领域补齐短板。

算法模拟结果表明，从2024个原子扩展到数万个并不存在本质障碍，但要在真实实验平台上实现，下一步必须提升激光器功率、挑战更多极限性能，并持续增强整体平台能力。

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。

至于通用量子计算机的前景，预计未来3-5年内，它将在一些狭窄的领域成为科研工具，而实现如密码破解等大规模应用，可能还需10年左右。

说回此研究，它汇集了量子计算领域的顶尖团队，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以及中国科学技术大学的专家们共同合作完成。

团队介绍

下面让我们来详细了解一下团队成员：

潘建伟，浙江东阳人，2011年当选中国科学院院士，2015年任中国科学技术大学常务副校长。本科和硕士都就读于中国科学技术大学近代物理系，后赴奥地利留学，获维也纳大学博士学位。

他多年从事量子信息领域的研究工作，并取得了一系列开创性的研究成果。

2016年，潘建伟任首席科学家的墨子号量子科学实验卫星成功发射，开展世界上首次卫星和地面之间的量子通信。

2017年，潘建伟团队构建了世界首台超越早期经典计算机（ENIAC）的光量子计算原型机。

2020年，潘建伟带领的团队成功构建76个光子的量子计算原型机“九章”，达成量子计算优越性。

2021年，他和陆朝阳等人再次构建“九章二号”，突破了113个光子的操纵技术。

2023年，他与陆朝阳、刘乃乐等成功构建了255个光子的量子计算原型机“九章三号”，再度刷新了光量子信息的技术水平和量子计算优越性的世界纪录。

陆朝阳，出生于浙江东阳，剑桥大学物理学博士，中国科学技术大学教授，与潘建伟院士共同构建“九章”、“九章二号”、“九章三号”，曾被诺奖得主Zeilinger称为“量子鬼才”。

主要科学贡献还包括：

1、证明虚数在量子力学中的必要性，奠定量子信息科学的数学基础。
2、实现最高品质的单光子和纠缠光源，构筑量子信息技术的物理基础。
3、光量子信息技术的里程碑式突破：多自由度隐形传态和九章量子计算。

陈明城，福建漳浦人，本科毕业于厦门大学，博士毕业于中国科学技术大学，师从有“量子鬼才”之称的陆朝阳，为“九章”“九章三号”及“祖冲之二号”量子计算原型机的主要作者之一。

2019年，入选福布斯中国30岁以下精英榜。2022年，达摩院青橙奖名单公布，陈明城获中国青年科学家获奖。

芮俊，中国科学技术大学教授，2010年与2015年于中国科大分别获得学士、博士学位，后在中国科大上海研究院任职博士后、特任副研，随后继续在德国马克思普朗克量子光学研究所从事博士后研究工作。

先后在Nature（2篇）、Science（1篇）、Nature Physics（2篇）、Nature Photonics（1篇）、Phys. Rev. Lett./X（6篇）等国际重要学术刊物上发表论文18篇，被SCI他人引用共592余次。曾获中国科学技术大学墨子杰出博士后奖学金、马普-哈佛量子光学研究中心博士后奖学金（首任）。

苏兆锋，中国科学技术大学特聘副研究员，2012年毕业于武汉大学，获软件工程学士学位，2018年在悉尼科技大学量子软件与信息研究中心获得博士学位。

钟翰森，中国科技大学博士研究生，潘建伟院士团队核心成员，海奇算光启信息技术有限公司的创始人，作为“九章”系列量子计算原型机论文的第一作者，他主导了光量子计算原型机的研发工作，实现了12光子纠缠等多项世界级科研成果。

2024年，他因在量子计算领域的突出贡献获得青橙奖“最具潜力奖”。2025年，入选2024年度《麻省理工科技评论》“35岁以下科技创新35人”中国区名单。

他对此研究表示：

• 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。

参考链接：
[1]https://physics.aps.org/articles/v18/148
[2]https://mp.weixin.qq.com/s/e3SE8cCF3giwmY8K4Orjww?scene=1
[3]https://physics.ustc.edu.cn/2025/0812/c33987a694426/page.htm
[4]http://m.top168.com/news/show-525516.html