361个量子比特！欧洲量子计算的里程碑
光子盒研究院出品
量子比特数量是量子计算能力的一个关键指标，目前欧洲主要量子计算团队例如IQM、OQC、AQT等分别为5、8和24量子比特，而法国的中性原子量子计算公司Pasqal已推出100+量子比特的量子模拟器。
现在，Pasqal的量子比特数量第一次突破300个，这是欧洲量子计算的里程碑。
近日，在arXiv论文《大型光镊阵列中性原子装载的原位均衡》[1]中，Pasqal和Le Laboratoire Charles Fabry(查尔斯·法布里实验室)、CNRS(法国国家科学研究中心)实现了在光镊中捕获最多361个原子(量子比特)的大型组装阵列，证实了扩展中性原子量子比特的能力。
实现300+原子的大型组装阵列
单个原子在光镊中的装载是随机的。这意味着，在任何给定的时间内，“陷阱”被装载的概率都是一定的（数学表示为η）。然而目前为止，大型无缺陷阵列的实现必须依靠一个原子接一个原子的组装过程：最初实现几十个原子，最近扩展到200-300个原子的范围，但进一步的应用要求将组装技术扩展到更高的数量。
在这项工作中，团队报告了一种简单的“原位陷阱装载均衡技术”（in-situ trap-loading equalization technique），它基于对阵列中所有捕获单原子荧光痕迹的演变作为整体陷阱功率函数的分析。实验使用一个封闭的、与超高真空兼容的4K低温恒温器来实现仪器中的极高真空度，使光镊捕获的87Rb原子的寿命达到∼6000秒。这一设置极大地提高了大型阵列的组装效率，使实验团队能够以前所未有的概率(∼37%)组装超300个原子的无缺陷阵列。
实验装置简图。插图从下到上显示了用于产生间距为5微米的23×23方形阵列的相位图、加载在阵列中的原子的原子荧光图像，以及在诊断用CCD（电荷耦合元件）相机上获得的陷阱强度图像。
324个原子阵列的高效组装。(a)重新排列前的625阱（625-trap）阵列的荧光图像，晶格间距为5µm。(b)阵列在两个重排周期后的荧光图像，显示了一个无缺陷的324原子阵列。(c)目标阵列中缺失原子数量的概率分布，显示制备无缺陷阵列的概率很大（≈37%）。
最后，团队通过研究大型阵列的重新排列说明了均衡化过程的效率。在一个由625个陷阱组成的阵列中实现了一个带有324个原子的满载阵列，同时缺陷数量的概率分布约为37%时，获得了一个无缺陷的阵列。作为比较，在室温设置中、没有使用原位均衡法时，只能以3%的概率分布实现196个原子的无缺陷阵列。
尽管没有在文章中配图展示，但团队表示，“已经在激光功率方面将实验装置推向极限：能够组装出多达361个原子的阵列。通过使用具有更大视场的光学系统如显微镜物镜，这个数字可以大大增加。”
总之，此次实验展示了一个简单的过程，能够优化全息陷阱阵列的装载，并简单地分析装载在光镊阵列中的单原子的荧光时间轨迹。最终，整体装载效率受到两个因素的限制：第一个因素是移动的光镊将原子从源阱转移到目标阱时的损失（损失概率平均为99%）；第二个限制来自于成像过程中发生的损失（整个阵列的平均水平为99.8%）。
作者进一步表示，对这两个限制的详细研究将是其未来工作的主题。
Pasqal的中性原子之路
基于法国在冷原子物理学领域长期卓越的学术研究，Pasqal正在用大型2D和3D阵列中的中性原子构建量子处理器，处于新兴量子产业的最前沿。
在Pasqal的处理器中，中性原子被激光以极高的精度操纵，以实现量子处理器的需要，具有高连接性和前所未有的规模、超过100个量子比特并接近1000量子比特阈值。Pasqal一直在开发从原子量子比特到软件工具的完整计算堆栈，以实现高效操作并集成到主要的第三方编程环境中。目前，公司旗下一台量子计算机已经在运行，另外两台正在建设中。
PASQAL的一名工程师站在中性原子量子计算机旁边。
“Pasqal的量子处理器基于在里德堡原子状态下相互作用的中性原子阵列，这种方法与IBM、谷歌等现有公司所追求的方法不同，我们相信它为扩展到数千个高保真量子比特和在各种实际应用中实现量子优势提供了最快的途径。”Pasqal首席执行官Georges-Olivier Reymond表示[2]，“我们有望在2023年之前提供与工业最终用户相关的第一个潜在用例，这将准备在数据中心运行，2022年初在云上可用，并从2023年开始在HPC中心（德国+法国）内部部署，运行数百、甚至多达数千个量子比特。”
此次该团队成功地将中性原子阵列扩展至361个，对于Pasqal来说无疑是重大的里程碑。根据Pasqal的技术路线图，该公司有望在2023年实现1000个量子比特。
参考链接：
[1]https://arxiv.org/abs/2207.06500
[2]https://thequantuminsider.com/2021/06/08/pasqal-raises-e25-million-in-series-a-funding-to-speedup-commercialization-of-quantum-processors/