全球首款100+量子比特冷原子处理器曝光

光子盒研究院出品

今年早些时候，总部位于美国科罗拉多州的冷原子量子计算公司ColdQuanta宣布将在2021年底推出100+比特的量子计算机。虽然距离上线云平台还有一段时间，但是ColdQuanta的100+量子比特处理器已经提前曝光，让我们先来一睹为快。

代号为“Hilbert”的处理器将基于ColdQuanta的冷原子技术。这项技术利用了排列在二维11×11网格中的铯原子，利用激光将铯原子冷却到mK级温度。量子比特之间的间距为2-3微米，以提供非常密集的布局，这种布局有可能在未来大幅扩展。

Hilbert量子比特布局（30微米×30微米）

量子比特由多个激光器控制，这些激光器用于冷却原子，将它们放置在网格位置，提供实现量子比特门的控制，并测量结果。Hilbert中使用的一些组件如下图所示。

量子比特（冷原子）位于左图的超高真空腔中；中图为量子处理器全貌；右图为激光和电子设备，以及来自苏黎世仪器的控制系统。

Hilbert的工作流程是：先是利用852894 nm激光将铯原子冷却，然后通过825 nm激光继续冷却形成单原子阵列，最后利用1064 nm激光进行重新排列，形成11×11阵列。总计121个原子充当量子比特。接下来，利用光泵浦将量子比特状态初始化，然后进行单比特或双比特门运算（使用激光和微波），最后通过激光相机测量结果。

Hilbert的工作流程

与超导量子计算机不同，ColdQuanta的量子处理器就是量子计算机本身，宽度在2.5英尺(0.762米)左右，高度大约是男性身高的1/2。

Hilbert量子处理器效果图与实物图

冷原子方法有几个潜在的优势，ColdQuanta表示，这使得它具有高度的可扩展性。

首先，芯片上的量子比特密度非常高。量子比特间距不仅比超导电路密集几个数量级，甚至比俘获离子技术更密集，因为冷原子是电中性的（即不带电），而俘获离子是带电的，必须分开一段距离，以减少量子比特之间由于库仑力而产生的不必要的相互作用。冷原子技术将能够在一个只有4平方毫米大小的芯片上封装100万个量子比特。

如下图所示，121个冷原子量子比特只有900平方微米，而谷歌的53比特就有1平方厘米。一旦量子比特数量增加至100万个，那么，冷原子量子芯片的尺寸只有超导量子芯片（ColdQuanta没有考虑超导技术进步）的二十万分之一。

冷原子量子比特密度极高

其次，冷原子量子比特连通性好，其连通性基于里德堡长程相互作用（里德堡原子是指外层电子被激发到主量子数n很大的高激发态原子，具有很大的电偶极矩, 使得它可以实现长程的相互作用），一个量子比特可以通过行/列寻址或全二维寻址与其他量子比特相互作用。

冷原子量子比特之间相互作用的两种方式

然后，冷原子量子比特相干时间长、执行单个门操作时间短，在保持相干性的同时可以执行的门操作的数量是实现深量子电路的关键。冷原子的纠缠是通过激光脉冲将中性原子激发为里德堡原子，两个里德堡原子实现纳秒级超强纠缠。量子特性保持数秒到数分钟。这种方法的10¹²开/关比率允许量子比特在大阵列中扩展，而不会增加串扰或影响门保真度。

里堡原子实现纠缠

Hilbert系统单比特门保真度为99.1%，双比特保真度为95%。ColdQuanta表示，未来将支持99.99%保真度的纠缠门（双量子比特门）。目前的限制是技术性的：激光噪声、原子温度以及光束指向稳定性。随着工程的改进，保真度将稳步提高。

而在算法保真度方面，ColdQuanta通过高连通性补偿了低保真度。如下图所示，如果只是量子比特只是相邻连接，纠缠量子比特A和B需要28次门操作，保真度为0.99的28次方即0.75，而冷原子量子比特通过长程连接，纠缠A和B只需要4次门操作，保真度为0.99的4次方即0.96。

通过高连通性补偿了低保真度

此外，由于该系统使用激光冷却而不是稀释制冷机，ColdQuanta的机器将避免稀释制冷机的成本，这部分成本高达数十万美元。ColdQuanta表示，他们将在未来三年内构建一个拥有1000+量子比特（35×35阵列）的版本，不断增强连通性和保真度，并逐步实现小型化。

2020年，ColdQuanta获得了美国国防高级研究计划局(DARPA)的合同，开发一个可扩展的、基于冷原子的量子计算硬件和软件平台，可以在现实世界的问题上展示量子优势。

ColdQuanta与奥地利量子软件公司ParityQC合作。ParityQC称，他们的ParityOS量子计算操作系统可以使用比标准方法少一个数量级的门操作来编译优化问题，这将使大型复杂优化问题的编码提前3年。

如下图所示，ParityOS将一个资源分配问题(图构造)编码到冷原子量子比特，作为一个量子近似优化算法(QAOA)求解器。

QAOA求解器

ColdQuanta表示：“Hilbert将于今年晚些时候上市，系统的可扩展性将使ColdQuanta能够更快、更高效地解决重要的客户计算问题，例如金融服务、物流和制药(药物发现)以及量子计算即云服务(QCaaS)的交付。”

参考链接：

[1]https://www.globenewswire.com/news-release/2021/07/07/2259086/0/en/ColdQuanta-Reaches-Quantum-Computer-Milestone-By-Demonstrating-Immense-Scalability-of-Cold-Atom-Processor-Approach.html

[2]https://cdn.sanity.io/files/sbcw1clc/production/2b54cd985fcba6974aa6350f3209447c77121aab.pdf

[3]https://quantumcomputingreport.com/coldquanta-announces-a-100-qubit-processor-with-customer-availability-later-this-year/

[4]https://quantumbusinessnetwork.de/coldquanta-and-parityqc-aim-at-quantum-advantage-with-optimization-problems/

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