《自然》重磅：6100个高相干原子量子位阵列

构建一个容错的、通用的量子计算机，是当代最宏伟的科学和工程挑战之一。尽管包括超导电路和囚禁离子在内的各种平台已经取得了显著进展，但一个根本性的障碍依然存在：在不牺牲相干性和控制保真度的情况下实现可扩展性。发表在《自然》题为《A tweezer array with 6100 highly coherent atomic qubits》（拥有 6100 个高相干原子量子位的镊子阵列）的论文，代表了解决这一挑战的巨大飞跃，使中性原子平台成为实现大规模量子系统的主要竞争者。这项工作推动了原子量子位技术可能性的边界，在规模、相干时间和操作保真度方面树立了新的基准。

规模的胜利：6100 量子位阵列

这项研究中最引人注目的成就，是所展示的量子位数量。以往的中性原子阵列通常只涉及几十个或最多几百个量子位。虽然也有报道称系统拥有大约一千个原子，但在那种规模下，通常没有定义量子位或演示相干控制。这篇论文打破了这些障碍，成功地在约 12,000 个光学镊子位点中捕获了超过 6,100 个中性原子（用作量子位）。

实现如此大规模扩展的关键在于光学镊子阵列平台的独创性。光学镊子是高度聚焦的激光束，能产生微小的、独立的势阱，每个势阱可以捕获一个中性原子。研究人员通过使用空间光调制器等先进的光学技术，将数千个镊子投射到一个精确、可编程的网格中。

这种创建高密度而又可独立寻址阵列的能力，对于量子计算的未来至关重要，特别是对于量子纠错（QEC）。容错的 QEC 需要大量的物理量子位（通常数以千计）来编码一个受保护的逻辑量子位。这个 6,100 量子位阵列将该领域从概念性的 QEC 提案，推进到了能够执行这些复杂、资源密集型协议的有形硬件。

相干性与保真度：创造新的性能记录

如果在扩展量子系统时，量子位的质量下降，那么这种扩展就没有意义。这项工作的真正力量在于同时实现了大规模化和创纪录的性能指标，克服了困扰大型量子硬件的根本限制。

• 前所未有的相干时间

相干时间或许是最关键的指标，它决定了量子位在环境噪声破坏之前，能保持其量子信息（例如，叠加态）多久。该研究证明，阵列中超精细量子位的相干时间达到了12.6 秒。这是光学镊子阵列中此类量子位的记录，也是一项巨大的成就。更长的相干时间赋予了更大的操作窗口，允许进行更复杂的量子电路运算，并减少了容错所需的计算开销——这是实现实用量子计算的必要步骤。

• 提升的寿命和成像保真度

让原子长时间保持在捕获阱中也至关重要。研究团队报告称，在室温设备中，捕获寿命接近 23 分钟。这种稳定性，加上高保真度的成像能力，为长时间运行的量子实验奠定了坚实的基础。他们实现了 99.98952% 的成像存活率，以及超过 99.99% 的成像保真度。这意味着当研究人员检查量子位的状态时，原子极不可能丢失或被破坏，并且其状态能够以近乎完美的准确性被读出。这些卓越的保真度数据是任何容错量子架构的先决条件。

为通用量子计算铺平道路

除了核心指标之外，这篇论文还详细阐述了基于该架构实现功能完备量子计算机的清晰路径。它介绍并演示了高级量子算法所必需的关键操作能力：

• 基于区域的量子计算架构：研究人员提出了基于区域的量子计算愿景。在该模型中，巨大的阵列在逻辑上被划分为不同的功能区域——例如，用于存储量子位的内存区和用于通过里德伯格相互作用执行双量子位量子门的处理区。这是实现可扩展性的关键概念，因为它将功能分离，允许对它们进行独立优化。
• 相干量子位传输：为了实现基于区域的架构，量子位必须在区域之间移动而不会丢失其量子状态。研究团队通过高保真度成功演示了相干传输（将原子跨越较大距离移动）和拾取/丢弃操作。在阵列中穿梭量子位同时保持其相干性的能力，相当于经典计算机中灵活、高速的布线——它使得复杂、高度连接的量子电路成为可能。

原子量子位的未来轨迹

拥有 6,100 个量子位、并具有创纪录相干性和保真度的阵列的实现，标志着中性原子平台的一个分水岭时刻。它有力地证明了中性原子固有的优势——均匀性、本质相同以及与环境的简单隔离——确实可以在超大规模上得以保持。

这项工作直接影响了下一代量子机器的实现时间表。它为以下方面提供了必要的物理基础设施：

1. 量子纠错： 创建大量高质量的物理量子位，以实施复杂的 QEC 编码（例如表面码），这被广泛认为是通往容错的路径。
2. 高级量子模拟： 使研究人员能够以前所未有的粒子数量和高可控性，来模拟多体物理学、探索奇异物质相和研究复杂的量子现象。
3. 高精度计量： 利用阵列的稳定性和相干性来构建更精确的量子传感器和原子钟。

总而言之，《A tweezer array with 6100 highly coherent atomic qubits》不仅仅是一项新记录；它有力地证明了可扩展、高保真量子硬件的愿景正在迅速成为现实。通过同时克服规模和相干性的根本挑战，这项研究为构建第一批能够解决实际问题并超越经典能力的通用量子计算机，提供了稳健的蓝图。基于庞大、相干的单个原子阵列的量子计算时代，正真切地来临。