基于中性原子的量子寄存器从加载区（左）移动到存储区（右）。通过定期补充装载区，可以建立存储阵列，然后连续运行。图片来源：马克斯·普朗克量子光学研究所 （MPQ）

由 Immanuel Bloch 量子多体系统部门研究小组负责人兼 MPQ 衍生公司 planqc 的联合创始人 Johannes Zeiher 领导的物理学家团队在扩大中性原子量子计算平台方面取得了重大进展。

在马克斯普朗克量子光学研究所与 planqc 合作的一项实验中，研究人员成功地在激光的光晶格中设置了 1,200 个原子的寄存器，并使其连续运行一小时。到目前为止，由于不可避免的原子损失，这种规模的布置一直难以维持。

物理学家能够通过使用一种复杂的技术来解决这个问题，该技术允许他们连续地将新原子重新加载到量子比特寄存器中，并且原则上可以无限期地操作它。

今天，我们知道用经典计算机计算量子系统有多么困难。这是因为量子力学系统随着尺寸的增长而变得复杂。即使是对 100 个量子粒子的行为进行精确计算，也超出了大多数现代超级计算机的能力范围。

同时，对复杂量子系统的基本理解对于预测某些材料或生物分子等的特性至关重要。因此，在 1980 年代初，物理学家和诺贝尔奖获得者理查德·费曼 （Richard Feynman） 建议使用量子模拟器和计算机来计算复杂的量子力学现象，而不是经典计算机，因为它们遵循与要计算的系统相同的定律，从而规避了经典计算机的局限性。

虽然量子模拟器主要适用于非常具体的、针对平台定制的问题，例如在固态物理学中，但量子计算机更普遍适用。然而，他们需要更大的努力和控制。

它们基于称为量子比特的独立、互连且完全可编程的存储单元，这些存储单元能够使用它们之间的量子门来执行定义的算法。量子计算机的这种多功能性和处理能力的巨大潜力开辟了新的科学和技术可能性，例如，在对新材料的基本理解和开发，或在分子结构的量子化学计算领域。

然而，研究这项有前途的技术的一个主要障碍是将量子计算机和模拟器扩展到大量量子比特，同时保持对单个组成部分的必要控制。目前有几种方法相互竞争来应对这一挑战。其中之一是基于中性原子的。

这种原子量子计算机和量子模拟器在很大程度上依赖于稳定且可扩展的原子排列，这些排列构成了计算所需的寄存器。原子使用光镊、紧密聚焦的激光束或光晶格（由干涉激光束形成的极其精确的周期性阵列）单独捕获。

被困在这种镊子或晶格中的每个原子都可以用作量子比特。然而，寄存器越大，丢失或加热的原子就越多，从而使系统随着时间的推移更容易出现有害错误。在当今的系统中，整个原子寄存器需要定期补充，这严重限制了系统可以达到的大小。

Zeiher 和他的团队现在已经成功地将一种重新加载区集成到他们的实验装置中，该装置使用碱土原子锶运行。每 3.5 秒，大约 130 个原子被添加到寄存器中。

“这种实时替换丢失原子的技术是迈向量子技术实际应用的重要一步，因为只有通过系统不间断和更持久的运行，大规模量子计算、模拟和测量才成为可能，”实验负责人 Zeiher 说。

该实验的下一步涉及控制原子的电子状态，例如使用光镊，以便寄存器中的每个单独原子都成为包含量子信息的量子比特。在阵列中附近的原子之间添加受控的相互作用，就可以生成量子纠缠，这是任何量子计算的基础。

“我们已经在研究将我们的新技术与不间断量子计算相结合的概念。在重新加载步骤中保持量子比特的一致性对于释放量子计算和量子模拟的巨大潜力至关重要。

“我们很高兴能为这个目标把点点滴滴的东西放在一起，”该论文的第一作者 Flavien Gyger 博士补充道，该论文现已发表在《物理评论研究》上。

“为了执行具有行业影响的量子算法，我们谈论的是数千个量子比特，并且需要让它们运行数小时才能运行纠错协议。我们的结果可以为持续维护如此大的数组以探索近期应用铺平道路，“planqc 的首席量子工程师、该论文的合著者 Stepan Snigirev 说。

更多信息：Flavien Gyger 等人，光晶格中大规模原子阵列的连续操作，物理评论研究（2024 年）。DOI： 10.1103/PhysRevResearch.6.033104

期刊信息： Physical Review Research