量子系統加速器如何鑄就量子計算里程碑

在量子計算機能夠解決複雜問題以前，研究人員得開發出能長時間管控大量量子比特（量子計算機的構成單元）的技術。

中性原子在這項努力當中起着重要作用，而且在量子計算領域頗具前景，因爲它們給構建量子比特和實現量子操作提供了一個穩定、可控且可擴展的平臺。

乍一看，中性原子——一種沒有淨電荷、質子和電子數量相等的粒子——對於量子處理器而言，好像是個直接的選擇。

然而，和其他類型的量子比特一樣，它們容易受環境噪聲和控制缺陷的影響，這或許會在量子計算機裡造成錯誤。

協作研究團隊在基於中性原子開發量子計算硬件和技術這方面取得了重大進展，讓可擴展量子計算的未來離現實更近了。

QSA 附屬的科學家們已經開發出了創新的辦法，用來創建一個穩定、可控、可擴展的平臺，來構建硬件並實現量子操作。

被困在聚焦激光束中的中性原子不太容易受到環境的干擾，因此能更有效地處理量子信息。通過將中性原子排列成陣列，研究人員可以創建具有數十或數百個量子比特的更大量子系統，這對於進行復雜的量子模擬和開發大規模量子計算機至關重要。

中性原子的首個可重構陣列的開發在量子計算領域標誌着一個重要的里程碑。

來自哈佛、麻省理工學院等機構的研究人員展示了使用“光鑷”，其利用聚焦激光束來捕獲並將中性原子定位至特定配置。

這一創新在 2021 年發表於《自然》雜誌的一篇論文中有詳細闡述，允許創建可重構陣列，這對於量子計算機中量子比特的靈活設計和優化至關重要。精確控制原子位置的能力提高了量子操作的可靠性和效率，爲更強大和可擴展的量子計算機鋪平了道路。

他們的量子模擬器已經促成了 新的量子物質相 ，並促進了對量子相變的詳細探究

可重構中性原子陣列再次成爲另一項由 QSA 主導的重要研究中的關鍵技術，該研究於 2023 年發表在《自然》雜誌上，研究人員創建出了精確的糾纏邏輯門，實現了保真度達 99.5%的雙量子比特操作。保真度作爲衡量量子操作執行準確性的指標，對於構建和拓展可靠的量子計算機極爲重要。

“基於這些研究成果，中性原子陣列成爲可編程量子模擬和量子信息處理的領先平臺，”哈佛量子倡議的聯合主任、該研究的資深作者米哈伊爾·盧金（Mikhail Lukin）說。“在 QSA 的支持下，我們重新定義了量子信息科學的前沿。”

運用在這兩項早期研究中所吸取的經驗教訓，哈佛大學和麻省理工學院的 QSA 研究小組與 QuEra Computing 合作，最近在《自然》上發表了新的實驗結果，展示了可重構原子陣列如何能夠在糾錯技術方面帶來根本性的改進，這對於可靠的量子計算至關重要。

通過更有效地解決錯誤，量子處理器能夠以更高的精度執行更復雜的計算。這項最新研究探索了創新的科學方法，以提高量子系統的穩健性，推動了該領域的發展。

在另一項研究中，由來自芝加哥大學、哈佛大學、加州理工學院和亞利桑那大學的跨學科團隊開展，研究人員爲一種特殊的錯誤緩解代碼（稱爲量子低密度奇偶校驗（qLDPC））開發了實驗和理論藍圖，這對擴展量子算法很有用。

在此次研究中，準低密度奇偶校驗（qLDPC）碼是一種……通過利用中性原子作爲核心技術有效地管理錯誤，通常來說，完成這項任務需要數千個邏輯量子比特。通過模擬原子的重排，研究人員能夠降低開銷，使系統在不需要過多資源的情況下保持高性能。

“QSA 所支持的基礎科學探索乃是這些進展的核心所在，”盧金說。“藉由 QSA，我們得以合作並獲取來自跨機構且具備不同專業知識的資源，我們需要把整個量子信息科學領域提升至一個新的層級。”

QSA 是能源部的五個國家量子信息科學研究中心之一，專注於量子計算的所有三項主要技術：超導電路、俘獲離子系統和中性原子。