加州理工团队创下6100量子比特阵列纪录，单比特操控精度达99.98%

近日，美国加州理工学院团队造出了目前全球最大的中性原子量子计算机，实现了超过 6100 个量子比特的一致性，同时实现了 99.98% 的运行精度，量子比特保持相干性长达 13 秒，这一相干时间比此前实验长了将近 10 倍，相关论文发表于最新 Nature 期刊。此前曾在该团队从事博士后研究、目前在中国科学院上海光学精密机械研究所担任研究员的吕旭东是论文共同作者。研究团队在加州理工学院的官方新闻稿中表示，对于中性原子计算来说，这是一个激动人心的时刻，这意味着“基础模块”已经就位，让人们看到了一条通往大型纠错量子计算机的道路。

与之前仅包含数百个量子比特的阵列相比，这一性能有着显著提升。因为研究人员不仅将其系统从过去实验中通常只有数百个的量子比特拓展到了 6100 多个，并且还能保持使用量子计算机所需要的稳定性和精度。

量子比特，是量子计算机中信息的基本单位。经典比特可以是 0 或者 1，量子比特则能同时处于两种状态的叠加态之中，从而能够并行地执行多项复杂计算。但是，它的挑战在于如何让这种状态足够长和足够稳定，因为只有这样才能完成计算。这种稳定性被称为“相干性”，它会不断地受到噪声、热量或杂散电磁场的威胁。不过，只有当量子比特保持相干性的时间越长，量子计算机在出现错误之前能够执行的操作也就越高级和越可靠，这也是真正强大的量子计算机需要数十万个量子比特的原因。但是，对于量子计算机来说，时间只是量子过程中的其中一个因素，人们需要的是让相干时间远远超过操作时间。假如操作时间是一微秒，而相干时间是一秒，那就意味着可以进行大约一百万次操作。

光镊，是一种高度聚焦的光束。为了在不牺牲保真度的情况下进行缩放，研究人员使用光镊来抓取和定位单个原子。通过将一束激光分成 12000 个微型光阱，能够在真空室内稳定地容纳 6100 个原子。具体来说，如果使用合适波长的激光，就能让光吸引原子，从而形成一个陷阱。如果将光限制在一个微米级的、非常小的点上，就能吸收并捕获许多原子。

在本次成果中，研究人员在阵列内移动原子的同时，并不会让量子态即叠加态遭到破坏，也就是说能够在保持量子比特稳定的情况下移动量子比特，这一优势将让量子计算机更容易被纠错。对于大规模的即包含更多原子的计算来说，通常会以牺牲准确率为代价，但是本次成果很好地兼顾了这两者。以前，假如量子比特的质量较低，就基本等于毫无用处；而在此次研究中，他们很好地兼顾了数量和质量。虽然本次成果并没有催生出实用型的量子计算机，但是通过在一个系统中结合准确性、相干性和规模范围，让其成功设定了新的基准，并加强了将中性原子作为量子计算领先平台的地位。

研究团队还达成了这一成就：在保持原子叠加的同时，将原子在阵列中移动数百微米。据了解，量子比特的移动能力是中性原子量子计算机的一个关键特性，与超导量子比特等其他量子比特架构相比，前者能够实现更高效的纠错能力。而移动单个原子并使其保持叠加状态，就好比当一个跑步的人拿着水杯但是水杯中的水依然不会翻动一样。而试图同时保持原子处于叠加状态，就好比一个人小心翼翼地跑步以便不会让杯中的水翻动得过于厉害。

当前，中性原子量子系统日益受到更多关注，并已成为超导电路和离子阱的有力竞争对手。中性原子量子系统的独特优势之一在于具备物理可重构性，这让原子可以在计算过程中通过移动光阱来进行重新排列，从而提供刚性硬件拓扑难以实现的动态连接。截至目前，大多数中性原子阵列仅仅包含数百个量子比特，而本次成果所拥有的 6100 量子比特则让该领域往前迈出了一大步。眼下，全球各地的科技公司和量子实验室正在纷纷扩大量子计算机的规模。IBM 公司承诺到 2033 年造出一台 10 万量子比特的超导计算机，而其他两家美国量子公司 IonQ 和 QuEra 正在开发离子阱和中性原子的方法，另一家美国量子公司 Quantinuum 则希望在 2029 年之前造出一台能够完全容错的量子计算机。

当然，此次加州理工学院团队还有新的目标等待完成。传统计算机每进行 1017 运算会出错一次，而目前量子计算机的精度远远没有达到这个水平，同时仅仅依靠硬件是不可能达到这个水平的。因此，此次加州理工学院团队在未来还需要进行大规模纠错的演示，而这需要从数千个物理量子比特中编码出逻辑量子比特。只有顺利完成这一演示，才能为量子计算机在化学问题和材料问题上的应用铺平道路。

值得注意的是，此次研究得到了多个外部单位的支持。具体来说，这一课题得到了戈登和贝蒂·摩尔基金会、韦斯顿·海文斯基金会、美国国家科学基金会、美国加州理工学院量子信息与物质研究所、美国陆军研究办公室、美国能源部（包括其量子系统加速器）、美国国防高级研究计划局、美国空军科学研究办公室、海辛-西蒙斯基金会以及亚马逊 AWS 量子博士后奖学金项目的资助。

加州理工学院教授曼努埃尔·恩德雷斯（Manuel Endres）是上述论文的共同通讯作者，他和团队聚焦于研究实验量子科学和理论量子科学，其研究领域包括利用独立控制的中性原子进行实验、探索关于量子模拟/量子信息和量子增强计量学的新方法，以及研究关于量子多体物理理论和机器学习应用。

资料显示，该团队并不是第一次在 Nature 这样的顶刊发表量子的相关论文。近两年内，该团队分别在 Nature 和 Science 发了至少三篇论文。

2025 年 5 月，该团队曾完成了一项在光镊中进行电子冷却、控制和运动超纠缠的成果，相关论文发表在 Science。在当时这项研究中，他们使用了一种与物种无关的冷却机制，完成了原子的运动基态的准备，进而让上述机制将运动激发转发为位置已知的擦除误差。据介绍，这种冷却机制从根本上优于理想化的传统边带冷却机制。通过针对由此产生的纯运动态进行相干操控，该团队通过局部搁置进入了运动叠加态，进而实现了电路中读出和电路中的擦除检测。同时，他们分别在不同的光镊中针对两个原子的运动进行纠缠，并通过同时制备运动和光学量子比特的贝尔态来产生超纠缠，借此解锁了一种利用中性原子的量子操作。

2024 年 10 月，该团队在一篇 Nature 论文中展示了通用量子操作和基于辅助的中性原子超窄光学跃迁读出的成果，并在光镊时钟平台演示了使用中性原子光钟进行基于电路的量子计量方法。基于此，他们通过光时钟量子比特的里德堡相互作用和动态连接，实现了保真度为 99.62% 的双量子比特纠缠门，并将其与局部寻址相结合，实现了通用可编程量子电路。利用这种方法该团队生成了接近最优的纠缠探测态。

如前所述，本文开头的那篇 Nature 论文的共同作者之一，是目前在中国科学院上海光学精密机械研究所担任研究员的吕旭东。资料显示，吕旭东本科毕业于北京大学，博士毕业于美国加州大学伯克利分校，博士毕业后先后在加州大学伯克利分校和加州理工学院从事博士后研究。2024 年秋到 2025 年春，吕旭东在加州理工学院担任研究员。随后，他回国加入中国科学院上海光学精密机械研究所，目前的主要研究方向为中性原子量子计算和量子模拟，而这也与他在美国从事博士后研究的方向较为一致，这或许将为他在新单位实现更多研究突破带来助力。

参考资料：

本次 Nature 论文 https://www.nature.com/articles/s41586-025-09641-4

2025 年 5 月的 Science 论文 https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn2618?utm_source=sfmc&utm_medium=email&utm_content=alert&utm_campaign=SCIeToc&et_rid=956750135&et_cid=5623214

2024 年 10 月的 Nature 论文 https://www.nature.com/articles/s41586-024-08005-8

吕旭东的个人主页 https://people.ucas.edu.cn/~lvlab

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