去年年底，科技巨头 IBM 宣布推出听起来像是量子计算领域的里程碑的产品：首款名为 Condor 的芯片，拥有超过 1,000 个量子比特。考虑到该公司推出第一款超过 100 个量子位的芯片 Eagle（Eagle）仅两年后，该领域似乎正在快速发展。制造能够解决超出当今最强大的经典超级计算机范围的有用问题的量子计算机，需要将其进一步扩展——可能达到数万或数十万量子位。但这肯定只是工程问题，对吧？

不必要。扩大规模的挑战如此之大，以至于一些研究人员认为它需要与 IBM 和谷歌等公司使用的微电子技术完全不同的硬件。 Condor 和谷歌 Sycamore 芯片中的量子位是由超导材料环制成的。迄今为止，这些超导量子位一直是全面量子计算竞赛中的兔子。但现在乌龟后来居上：由单个原子组成的量子位。

最近的进展已将这些“中性原子量子位”从局外人转变为领先的竞争者。

威斯康星大学麦迪逊分校的物理学家马克·萨夫曼（Mark Saffman）表示：“过去两三年的进步比以往任何时期都要快。”他统计，至少有五家公司竞相将中性原子量子计算商业化。

与普通计算机中的位一样，量子位编码二进制信息——1 和 0。但是，虽然一个位总是处于一种状态或另一种状态，但量子位中的信息可以是不确定的，即所谓的“叠加”，它对两种可能性都给予了重视。为了进行计算，量子位使用称为量子纠缠的现象进行连接，这使得它们的可能状态相互依赖。特定的量子算法可能需要不同组量子位之间的一系列纠缠，并且在进行测量时在计算结束时读出答案，将每个叠加分解为确定的 1 或 0。

使用中性原子的量子态以这种方式编码信息的想法是 建议 2000 年代初，哈佛大学物理学家 米哈伊尔·卢金（Mikhail Lukin） 和同事，以及 还 由一个小组领导 伊万·多伊奇 新墨西哥大学的。卢金说，长期以来，更广泛的研究界一致认为中性原子量子计算原则上是一个好主意，但在实践中“它只是行不通”。

“但 20 年后，其他方法仍未达成交易，”萨夫曼说。 “使中性原子发挥作用所需的技能和技术已经逐渐发展到看起来非常有前途的地步。”

哈佛大学卢金实验室一直处于领先地位。 12月，他和同事们 报道 他们创建了具有数百个中性原子量子位的可编程量子电路，并用它们进行了量子计算和纠错。本月，加州理工学院的一个团队 报道 他们制作了一个包含 6,100 个原子量子位的阵列。这样的结果越来越多地赢得了这种方法的皈依者。

“十年前，如果我对量子计算的未来进行对冲，我就不会采用这些[中性原子]方法，”他说 安德鲁·斯蒂恩，牛津大学量子信息理论家。 “那将是一个错误。”

量子比特之战

量子位类型之间竞争的一个关键问题是每种量子位在被某种随机（例如热）波动改变之前可以保持其叠加态多长时间。对于 IBM 和 Google 等超导量子位来说，这种“相干时间”通常最多只有一毫秒左右。量子计算的所有步骤都必须在该时间范围内发生。

在单个原子的状态中编码信息的优点之一是它们的相干时间通常要长得多。此外，与超导电路不同，给定类型的原子都是相同的，因此不需要定制控制系统来输入和操纵细微不同的量子态。

尽管用于将超导量子位连接到量子电路中的布线可能会变得非常复杂——随着系统规模的扩大，情况会变得更加复杂——但在原子的情况下则不需要布线。所有的纠缠都是使用激光完成的。

这一好处最初提出了挑战。开发复杂的微电子电路和电线有一种成熟的技术，IBM 和谷歌最初投资超导量子位的一个可能原因不是因为它们显然是最好的，而是因为它们需要这些公司习惯的电路类型，他说。 斯图尔特·亚当斯英国杜伦大学物理学家，从事中性原子量子计算研究。 “基于激光的原子光学对他们来说看起来完全陌生。所有的工程都是完全不同的。”

由带电原子（称为离子）组成的量子位也可以用光控制，长期以来，离子一直被认为是比中性原子更好的量子位候选者。由于它们带电荷，离子相对容易被电场捕获。研究人员通过在超低温下将离子悬浮在微小的真空腔中（以避免热抖动）来创建离子陷阱，同时激光束在不同的能量状态之间切换它们以操纵信息。具有数十个量子位的离子阱量子计算机现已得到演示，几家初创公司正在开发该技术以实现商业化。萨夫曼说：“到目前为止，在保真度、控制和一致性方面性能最高的系统都是捕获离子。”

捕获中性原子比较困难，因为没有电荷可以保留。相反，原子被固定在激光束产生的强光场内，称为光镊。原子通常更喜欢位于光场最强烈的地方。

离子有一个问题：它们都具有相同符号的电荷。这意味着量子位彼此排斥。离子越多，将大量离子塞进同一个小空间就越困难。对于中性原子，就不存在这样的张力。研究人员表示，这使得中性原子量子位更具可扩展性。

更重要的是，被捕获的离子排列成一排（或者最近是循环排列的“跑马场”）。这种配置使得一个离子量子位与另一个离子量子位（例如沿行 20 个位置）纠缠变得困难。 “离子陷阱本质上是一维的，”亚当斯说。 “你必须将它们排成一行，很难看出如何以这种方式获得一千个量子位。”

中性原子阵列可以是二维网格，更容易扩展。 “你可以将很多东西放入同一个系统中，当你不希望它们交互时，它们就不会交互，”萨夫曼说。他的团队和其他人已经用这种方法捕获了 1,000 多个中性原子。 “我们相信我们可以将数万甚至数十万个封装在一个厘米级的设备中，”他说。

事实上，在最近的工作中，加州理工学院的团队创建了一个由约 6,100 个中性铯原子组成的光镊阵列，尽管他们尚未用它们进行任何量子计算。这些量子位的相干时间高达 12.6 秒，这是该量子位类型迄今为止的记录。

里德堡封锁

为了使两个或多个量子位纠缠在一起，它们需要彼此相互作用。中性原子通过所谓的范德华力“感觉到”彼此的存在，范德华力是一个原子对附近另一个原子的电子云波动做出反应的方式产生的。但只有当原子非常靠近时才能感受到这些微弱的力。使用光场将普通原子操纵到所需的精度是不可能完成的。

正如 Lukin 和他的同事在 2000 年最初的提案中指出的那样，如果我们增大原子本身的尺寸，相互作用距离就会显着增加。电子拥有的能量越多，它离原子核的距离就越远。如果使用激光将电子泵浦至远高于原子中通常存在的能量状态（以瑞典物理学家约翰内斯·里德伯格（Johannes Rydberg）的名字命名的里德堡态，他在 1880 年代研究了原子以离散波长发光的方式，则电子可以比平时远离原子核数千倍。

这种尺寸的增加使得两个相距几微米的原子能够相互作用——这在光陷阱中是完全可行的。

为了实现量子算法，研究人员首先将量子信息编码在一对原子能级中，使用激光在能级之间切换电子。然后，它们通过切换原子之间的里德伯相互作用来纠缠原子的状态。给定的原子可能会被激发到里德伯态，也可能不会，这取决于它的电子处于两个能级中的哪一个——只有其中一个处于正确的能量以与激发激光的频率共振。如果原子当前正在与另一个原子相互作用，则激发频率会略有变化，因此电子不会与光共振，也无法进行跳跃。这意味着一对相互作用的原子中只有一个或另一个可以在任何时刻维持里德伯态；它们的量子态是相关的——或者换句话说，是纠缠的。这种所谓的里德堡封锁，首先 建议 Lukin 及其同事于 2001 年提出的一种纠缠里德伯原子量子位的方法是一种全有或全无的效果：要么存在里德伯封锁，要么不存在。 “里德堡封锁使原子之间的相互作用数字化，”卢金说。

在计算结束时，激光读出原子的状态：如果原子处于与照明共振的状态，则光会被散射，但如果它处于其他状态，则不会发生散射。

2004年，康涅狄格大学的一个团队 证明 铷原子之间的里德堡封锁，被捕获并冷却到仅比绝对零高 100 微开尔文。他们通过使用激光“吸出”原子的热能来冷却原子。该方法意味着，与超导量子位不同，中性原子不需要低温冷却，也不需要繁琐的制冷剂。因此，这些系统可以做得非常紧凑。 “整个装置处于室温下，”萨夫曼说。 “距离这些超冷原子一厘米，就有一个室温窗口。”

2010 年，萨夫曼和他的同事 报道 第一个逻辑门——计算机的基本元件，其中一个或多个二进制输入信号生成特定的二进制输出——使用里德堡封锁由两个原子制成。然后，至关重要的是，在 2016 年，卢金的团队以及法国和韩国的研究小组都 独立地 想通了 如何 负载许多中性原子 进入光陷阱阵列并随意移动它们。 “这项创新给这个领域带来了新的活力，” 斯蒂芬·杜尔 德国加兴马克斯·普朗克量子光学研究所的教授，他使用里德伯原子进行基于光的量子信息处理实验。

到目前为止，大部分工作都使用铷和铯原子，但物理学家 杰夫·汤普森 普林斯顿大学的研究人员更喜欢在锶和镱等金属原子的核自旋态中编码信息，这些金属原子的相干时间更长。去年十月，汤普森和同事 报道 由这些系统制成的二量子位逻辑门。

里德伯封锁不一定是在孤立的原子之间。去年夏天，亚当斯和他的同事 显示 他们可以在原子和被捕获的分子之间建立里德伯封锁，他们通过使用光镊将铯原子拉到铷原子旁边来人为地制造出这种封锁。混合原子分子系统的优点是原子和分子具有非常不同的能量，这可以更容易地操纵其中一个而不影响其他分子。更重要的是，分子量子位可以具有很长的相干时间。 Adams 强调，这种混合系统至少比全原子系统晚 10 年，而且两个这样的量子位的纠缠尚未实现。 “混合系统确实很难，”汤普森说，“但我们可能会在某个时候被迫这样做。”

高保真量子位

没有一个量子位是完美的：所有量子位都可能产生错误。如果这些未被发现和纠正，它们就会扰乱计算结果。

但所有量子计算的一个大障碍是，错误不能像经典计算机那样被识别和纠正，在经典计算机中，算法只是通过复制来跟踪比特所处的状态。量子计算的关键在于，在读出最终结果之前，量子位的状态是不确定的。如果您尝试测量该点之前的这些状态，则会终止计算。那么，如何才能保护量子位免受我们甚至无法监控的错误的影响呢？

一种答案是将信息传播到许多物理量子位上——构成一个“逻辑量子位”——这样其中一个量子位的错误就不会破坏它们共同编码的信息。仅当每个逻辑量子位所需的物理量子位数量不是太大时，这才变得实用。该开销部分取决于所使用的纠错算法。

纠错逻辑量子位已经通过超导和俘获离子量子位得到了证明，但直到最近还不清楚它们是否可以由中性原子制成。 48 月，情况发生了变化，哈佛大学团队推出了由数百个捕获铷原子组成的阵列，并在 1 个逻辑量子位上运行算法，每个逻辑量子位由七到八个物理原子组成。研究人员使用该系统进行称为受控非门的简单逻辑运算，其中量子位的 0 和 XNUMX 状态根据第二个“控制”量子位的状态翻转或保持不变。为了进行计算，研究人员在捕获室中的三个不同区域之间移动原子：原子阵列、使用里德堡封锁拖动和纠缠特定原子的相互作用区域（或“门区”）以及读出区域。亚当斯说，这一切都成为可能，因为“里德伯系统为您提供了洗牌量子位并决定谁与谁相互作用的所有能力，这为您提供了超导量子位所不具备的灵活性。”

哈佛团队展示了一些简单逻辑量子位算法的纠错技术，尽管对于具有 48 个逻辑量子位的最大算法，他们仅实现了错误检测。汤普森表示，后面的实验表明“他们可以优先拒绝有错误的测量结果，从而识别出错误较低的结果子集。”这种方法称为后选择，虽然它可以在量子纠错中发挥作用，但它本身并不能解决问题。

里德伯原子可能适合新颖的纠错码。萨夫曼说，哈佛研究中使用的一种称为表面代码的方法“非常流行，但效率也很低”。它往往需要许多物理量子位才能形成一个逻辑量子位。其他更有效的纠错码需要量子位之间进行更远距离的交互，而不仅仅是最近邻配对。中性原子量子计算的实践者认为长程里德伯相互作用应该能够胜任这项任务。 “我非常乐观地认为，未来两到三年的实验将向我们表明，开销不一定像人们想象的那么糟糕，”卢金说。

尽管还有更多工作要做，但斯蒂恩认为哈佛大学的工作“在实验室实现纠错协议的程度上发生了重大变化”。

分拆

像这样的进步使得里德伯原子量子比特甚至可以与竞争对手媲美。 “高保真门、大量量子位、高精度测量和灵活连接的结合使我们能够将里德伯原子阵列视为超导和俘获离子量子位的真正竞争对手，”斯蒂恩说。

与超导量子位相比，该技术的投资成本只是其一小部分。哈佛集团有一家衍生公司，名为 奎拉，它已经制造了一个 256 量子位的里德堡量子处理器，称为 老鹰 - 一个模拟“量子模拟器”，可以运行模拟 许多量子粒子的系统 — 与亚马逊的 Braket 量子计算平台合作在云端提供。 QuEra 还致力于推进量子纠错。

萨夫曼加入了一家名为 词形变化，该公司正在开发用于量子传感器和通信以及量子计算的中性原子光学平台。 “如果一家大型 IT 公司很快与其中一家子公司建立某种合作关系，我不会感到惊讶，”亚当斯说。

“用中性原子量子位进行可扩展的纠错绝对是可能的，”汤普森说。 “我认为 10,000 个中性原子量子位在几年内显然是可能的。”除此之外，他认为激光功率和分辨率的实际限制将需要 模块化设计 其中几个不同的原子阵列连接在一起。

如果发生这种情况，谁知道会发生什么？ “我们甚至还不知道我们可以用量子计算做什么，”卢金说。 “我真的希望这些新进展能够帮助我们回答这些问题。”