2024 年 QSA 全体人员会议。图片来源：伯克利实验室

在量子计算机解决复杂问题之前，研究人员必须开发能够长时间管理大量量子比特（量子计算机的构建块）的技术。中性原子在这项工作中发挥着重要作用，并且有望用于量子计算，因为它们为构建量子比特和实现量子运算提供了一个稳定、可控且可扩展的平台。

乍一看，中性原子（没有净电荷的粒子，平衡相等数量的质子和电子）似乎是量子处理器的直接选择。但是，与其他类型的量子比特一样，它们容易受到环境噪声和控制缺陷的影响，这可能会导致量子计算机出错。

合作研究团队在开发基于中性原子的量子计算硬件和技术方面取得了重大进展，使可扩展量子计算的未来更接近现实。量子系统加速器 （QSA） 由劳伦斯伯克利国家实验室 （Berkeley Lab） 领导，是一个国家量子信息科学研究中心，汇集了来自 14 个机构的 250 多名专家。

QSA 附属科学家开发了创新方法，用于创建稳定、可控、可扩展的平台，用于构建硬件和实施量子运算。

被困在聚焦激光束中的中性原子不易受到环境扰动的影响，因此可以更有效地处理量子信息。通过将中性原子排列成阵列，研究人员可以创建具有数十或数百个量子比特的更大量子系统，这对于执行复杂的量子模拟和开发大规模量子计算机至关重要。

第一个可重构的中性原子阵列的开发标志着量子计算的一个重要里程碑。来自哈佛大学、麻省理工学院和其他机构的研究人员演示了“光镊”的使用，该镊子使用聚焦激光束将中性原子捕获并定位到特定配置中。

这项创新在 2021 年发表在《自然》杂志上的一篇论文中进行了详细介绍，允许创建可重构数组，这对于量子计算机中量子比特的灵活设计和优化至关重要。精确控制原子位置的能力提高了量子运算的可靠性和效率，为更强大和可扩展的量子计算机铺平了道路。

他们的量子模拟器已经能够发现物质的新量子相，并促进了对量子相变的详细研究。

可重构中性原子阵列再次成为 2023 年发表在《自然》杂志上的另一项由 QSA 主导的重要研究中的关键技术，在该研究中，研究人员创建了精确的纠缠逻辑门，以 99.5% 的保真度实现了双量子比特操作。保真度是衡量量子运算执行精度的指标，对于构建和扩展可靠的量子计算机至关重要。

“基于这些研究，中性原子阵列成为可编程量子模拟和量子信息处理的领先平台，”哈佛量子计划联合主任、该研究的资深作者 Mikhail Lukin 说。“在 QSA 的支持下，我们重新定义了量子信息科学的前沿。”

哈佛大学和麻省理工学院的 QSA 研究小组与 QuEra Computing 合作，应用这两项早期研究中的经验教训，最近在《自然》杂志上发表了新的实验结果，展示了可重构原子阵列如何从根本上改进纠错技术，这对可靠的量子计算至关重要。

通过更有效地解决错误，量子处理器可以以更高的精度执行更复杂的计算。这项最新研究探索了创新的科学方法，以提高量子系统的稳健性，突破了该领域的界限。

在另一项研究中，由芝加哥大学、哈佛大学、加州理工学院和亚利桑那大学的跨学科团队进行，研究人员为一种称为量子低密度奇偶校验 （qLDPC） 的特殊防错码开发了一种实验和理论蓝图，可用于扩展量子算法。

在这项研究中，这些 qLDPC 代码利用中性原子作为核心技术有效地管理错误，这项任务通常需要数千个逻辑量子比特。通过模拟原子的重排，研究人员可以减少开销，使系统能够在不需要过多资源的情况下保持高性能。

“QSA 支持的基础科学探索是这些进步的核心，”Lukin 说。“通过 QSA，我们能够跨机构协作并访问我们将整个量子信息科学领域提升到新水平所需的不同专业知识和所需的资源。”

QSA 是能源部的五个国家量子信息科学研究中心之一，专注于量子计算的所有三种主要技术：超导电路、囚禁离子系统和中性原子。

除了共同设计和制造新的量子硬件外，QSA 团队成员还在开发软件控制系统，以操作这些设备和算法，用于重要的物理、化学、材料和生物应用。通过在量子技术的各个方面进行合作，该中心正在帮助将该领域从理论转变为现实世界的工具。

期刊信息： Nature