• 加州理工学院捕获了 6,100 个铯原子作为量子比特，这是迄今为止最大的中性原子量子系统。
• 量子比特保持相干性长达 13 秒，运算精度高达 99.98%，无需考虑扩展权衡。
• 研究团队在阵列中移动原子，同时保持它们处于叠加状态。

9月29日消息，美国加州理工学院的物理学家们研制出了迄今为止最大的中性原子量子计算机，其单个阵列中捕获了6100个铯原子作为量子比特。该成果于周四发表在《自然》杂志上，与之前仅包含数百个量子比特的阵列相比，性能有了显著提升。

研究人员将他们的系统从过去实验中典型的数百个量子比特扩展到 6,000 多个，同时保持了实用机器所需水平的稳定性和精度。

该团队表示，它实现了约 13 秒的相干时间——比过去的实验长近 10 倍——同时以 99.98% 的准确率执行单量子比特操作。

量子比特（qubit）是量子计算机中信息的基本单位。

与经典比特（可以是 0 或 1）不同，量子比特可以同时处于两种状态的叠加态，从而能够并行执行多项计算。挑战在于如何保持这种微妙的状态足够长时间、稳定，以完成计算。

这种稳定性被称为“相干性”，它不断受到噪声、热量或杂散电磁场的威胁。量子比特保持相干性的时间越长，量子处理器在出现错误之前能够执行的操作就越复杂、越可靠。

加州理工学院物理学教授、该项目首席研究员曼努埃尔·恩德雷斯（Manuel Endres）在一份声明中表示：“对于中性原子量子计算来说，这是一个激动人心的时刻。我们现在可以看到一条通往大型纠错量子计算机的道路。基础模块已经到位。”

然而，据参与该项目的加州理工学院研究生 Elie Bataille 称，时间只是量子过程中的一个因素。

Bataille 告诉Decrypt： “你需要的是与操作持续时间相比非常长的相干时间。如果你的操作时间为一微秒，并且相干时间为一秒，那就意味着你可以进行大约一百万次操作。”

在不牺牲保真度的情况下进行缩放

研究人员使用“光镊”（一种高度聚焦的光束）来抓取和定位单个原子。通过将一束激光分成12000个这样的微型光阱，他们能够在真空室内稳定地容纳6100个原子。

“如果你使用合适波长的激光，你就能让光吸引原子，从而形成一个陷阱，”巴塔耶说。 “如果你将光束限制在一个非常小的点上，大约一微米，你就能吸引并捕获许多原子。”

研究团队证明，他们可以在阵列内移动原子，而不会破坏其脆弱的量子态，即叠加态。这种在保持量子比特稳定的情况下移动量子比特的能力，将使未来量子计算机更容易纠错。

中性原子量子系统正日益受到关注，成为超导电路和离子阱平台的有力竞争对手。其独特优势之一是物理可重构性：原子可以在计算过程中利用移动光阱进行重新排列，从而提供刚性硬件拓扑难以企及的动态连接。迄今为止，大多数中性原子阵列仅包含数百个量子比特，而加州理工学院的6100量子比特里程碑则向前迈出了重要一步。

一场全球竞赛

随着全球各地的公司和实验室纷纷扩大量子计算机的规模，这一成果也随之而来。

IBM 承诺到 2033 年将推出一台10 万量子比特的超导计算机，而IonQ和QuEra等公司正在开发离子阱和中性原子方法。总部位于科罗拉多州的Quantinuum 公司的目标是到 2029 年推出一台完全容错的量子计算机。

下一个里程碑是演示大规模纠错，这需要从数千个物理量子比特中编码出逻辑量子比特。这对于量子计算机解决化学、材料等领域的实际问题至关重要。

“传统计算机每 10 到 17 次运算就会出错一次，”巴塔耶说，“量子计算机的精度远不及这个水平，我们也不指望仅靠硬件就能达到这个水平。”

加州理工学院的研究小组计划通过纠缠来连接量子比特，这是进行全面量子计算的必要步骤。

虽然加州理工学院的 6,100 量子比特阵列尚未提供实用的量子计算机，但通过在一个系统中结合规模、准确性和相干性，它设定了新的基准并加强了中性原子作为量子计算领先平台的地位。