里程碑！中性原子体系迈向可扩展通用量子计算机

光子盒研究院出品

中性原子体系在量子模拟方面具有优势，但此前被认为不具备编程和通用的能力。2021年越来越多的研究团队展示了中性原子体系的可编程能力，例如哈佛大学Mikhail Lukin团队展示了一个256原子的可编程量子模拟器。

而在4月20日，两篇同时发表在《自然》杂志的论文又展示了中性原子量子计算机的通用性和可扩展性。

在论文《中性原子量子计算机上的多量子比特纠缠和算法》[1]中，由威斯康星大学麦迪逊分校物理系教授、ColdQuanta首席量子信息科学家Mark Saffman带领的团队成为世界上第一个在可编程门模型中性原子量子计算机上演示量子算法的团队。

中性原子超精细量子比特由于其相同的特性、较长的相干时间和被捕获在密集多维阵列中的能力，提供了固有的可扩展性。

本次工作中，该计算机的架构基于单个原子的独立寻址，使用紧密聚焦的光束扫描二维量子比特阵列。该团队实现了6个量子比特的纠缠Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ)态的制备，化学问题的量子相位估计，以及最大割图问题的量子近似优化算法(QAOA)。

实验量子计算平台。a)捕获和寻址原子量子比特的实验布局。原子被捕获在蓝失谐线栅格阵列中，该阵列用NA = 0.7的透镜成像在原子捕获区域上。通过使用NA = 0.7的透镜在真空室的相对面收集原子荧光并将光成像到EMCCD相机的两个独立区域来确定原子占位。使用1064 nm的光束将原子重新排列到线路操作所需的位置。线路被分解为一个通用门集，包括由微波驱动的绕x-y平面轴的全局Rφ(θ)旋转、由459 nm光束驱动的局部RZ(θ)旋转，以及利用459 nm和1040 nm光束对原子对的同步里德堡激发的CZ纠缠门。b)用于冷却、捕获和量子比特控制的原子能级图和波长。c)间距为3 µm的49位置阵列的平均原子荧光图像。每个相机像素在原子处为0.6 0.6 µm。d)在76.5 kHz下9量子比特块上的全局微波Rabi旋转。微波相位、振幅和频率由任意波形发生器控制。e)Ramsey实验，使用微波π/2脉冲和聚焦的459 nm光束在单个位置提供RZ(θ)旋转。使用600 kHz的Stark位移，以便在计算RZ(θ)门的脉冲时间时，可以忽略开/关声光调制器(图中未显示)的15 ns上升/下降时间。f)使用CZ门创建的2量子比特贝尔态的奇偶振荡。衡量纠缠门性能的一个事实是它产生贝尔态的能力。对于优化的量子比特对，测量的和未校正的贝尔态保真度为92.7(1.3)%(状态制备和测量(SPAM)保真度95.5%)，对于电路中使用的所有连接的量子比特对的平均保真度为90%(SPAM保真度92.5%)。

GHZ态的制备。a)具有2-6个量子比特的GHZ态的奇偶振荡。振荡频率与量子比特数呈线性关系。b)创建的GHZ态相对于量子比特数的保真度。c)通过Ramsey干涉测量GHZ态的退相干时间。

使用3量子比特和4量子比特的量子相位估计。a)使用4量子比特的相位估计线路。b)使用3量子比特的量子相位估计结果。c)使用4量子比特的量子相位估计来估计H2分子的分子能量。

求解最大割问题的QAOA算法。a)单个p = 1周期的4量子比特QAOA最大割线路。b)将Z相互作用分解为两个CNOT门和一个RZ旋转。c)具有优化γ和β值的p=1、2、3的线路结果。

这些结果突出了中性原子量子比特阵列对于通用可编程量子计算以及对于量子增强传感的非经典态制备的高度可扩展能力。

Saffman表示:“制造有用的量子计算机是一场竞赛，为此正在开发几种不同的方法，中性原子量子比特是正在积极开发的五种方法之一，本文首次展示了使用中性原子量子比特运行量子线路和量子算法的能力。”

Saffman实验室量子计算机的核心组件

ColdQuanta将很快推出Hilbert，这是一台100量子比特规模的计算机，建立在这项研究的开创性工作之上。利用中性原子方法的自然可扩展性，提供高连通性、高保真度、小型化和室温运行的Hilbert系统。

另一篇《自然》论文是来自哈佛大学Mikhai Lukin团队的《基于纠缠原子阵列相干输运的量子处理器》[2]，展示了利用中性原子实现可扩展量子处理器的潜力。

在量子处理器中，在所需量子比特之间设计并行、可编程操作的能力是构建可扩展量子信息系统的关键。在大多数最先进的方法中，量子比特在局部相互作用，受到与其固定空间布局相关的连通性的限制。为此，该团队展示了一个具有动态、非局部连接的量子处理器，其中纠缠量子比特在单量子比特和双量子比特操作层之间以高度并行的方式在两个空间维度上相干输运(coherent transport)。

通过中性原子相干输运实现的量子信息架构。a)在该方法中，量子比特被输运以执行与远程量子比特的纠缠门，从而实现可编程和非局部连接。使用光镊进行原子穿梭，在二维和多个区域之间高度并行，允许选择性操作。b)纠缠量子比特相干输运的原子图像。c)奇偶振荡表明，运动不会明显影响纠缠或相干。d)在110 μm范围内，测得的贝尔态保真度是分离速度的函数，表明保真度在移动速度低于200 μs时不受影响(平均分离速度为0.55 μm/μs)。

该团队的方法利用了由光镊捕获和输运的中性原子阵列；超精细态用于鲁棒的量子信息存储，激发为里德堡态用于生成纠缠。使用这种架构来实现纠缠图态的可编程生成，例如团簇态和7量子比特Steane码态。

使用动态纠缠输运的一维和二维图态。a)一个12原子一维团簇态图的生成，通过初始化|+⟩中的所有量子比特(顶点)并在量子位之间的链接(边缘)上应用CZ门来创建。b)一维团簇态制备和测量的量子线路表示。的量子电路表象的制备和测量。动态解耦适用于所有量子线路(方法)。c)所得一维团簇态的原始测量稳定器。d)7量子比特Steane码的图态表示。e)用于制备Steane码逻辑态|+⟩L的线路，在四个并行的门层中执行。f)制备|+⟩L后测量的稳定器和逻辑运算符。

此外，研究人员穿梭纠缠辅助阵列以实现具有13个数据和6个辅助量子比特的表面码态和具有16个数据和8个辅助量子比特的复曲面码态。

使用移动辅助量子比特阵列的拓扑表面码和复曲面码状态。a)图态实现的表面码。b)测量所得表面码的X-plaquette(格子型)和Z-star(星型)稳定器，以及带有和不带有错误检测的逻辑运算符(在后选择中实现)。c)复曲面码的实现。d)测量所得复曲面码的X-plaquette和Z-star稳定器，以及带有和不带有错误检测的两个逻辑量子比特的逻辑运算符(在后选择中实现)。

最后，研究人员使用这种架构实现一种混合模拟-数字演化，并将其用于测量量子模拟中的纠缠熵，通过实验观察了与量子多体疤痕(quantum many-body scar)相关的非单调纠缠动力学。

混合模拟-数字量子模拟的动态可重构性。a)结合相干原子输运和模拟哈密顿量演化以及数字量子门的混合量子线路。b)使用two-copy干涉法测量多体里德堡系统中的纠缠熵。c)测量了两个8原子系统在多体动力学猝灭后的半链Renyi纠缠熵。d)在0.5μs猝灭时间内测量互信息揭示了热化|gggg...⟩态的体积律标度和疤痕|rgrg...⟩态的面积律标度。

这些结果实现了一个长期目标，提供了一条通往可扩展量子处理的道路，并使从模拟到计量的应用成为可能。

参考文献：

[1]https://www.nature.com/articles/s41586-022-04603-6

[2]https://www.nature.com/articles/s41586-022-04592-6