256个量子比特！亚马逊Braket上线首个中性原子量子处理器

光子盒研究院出品

11月1日，亚马逊的量子计算服务Amazon Braket宣布[1]推出Aquila，这是QuEra Computing公司推出的一种新的中性原子量子处理单元（QPU），最多有256个量子比特。它将在每周二、三、四提供十个小时的服务。该处理器可以用AWS Braket SDK进行编程，很快QuEra自己的基于Julia编程语言的Bloqade软件平台也将支持Aquila。

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一种新的量子计算模拟范式

QuEra的设施中的Aquila磁光陷阱。

QuEra的QPU是亚马逊Braket上第一个能够进行“模拟哈密顿量模拟（AHS）”量子计算范式的设备。

AHS指的是将感兴趣的问题编码成一个被称为哈密顿量的数学对象的能力。哈密顿量代表了一个量子系统的能量水平，如晶格上相互作用的旋子（spin）。然后，计算机被调整，使其直接模拟量子系统在该哈密顿量下的连续时间演变。

在传统的基于门的量子计算机中，用户可以直接对作用于量子比特的门进行编程。量子处理器，如牛津量子电路，或亚马逊Braket上的Rigetti设备就是这样运作的，其量子比特由一个非谐波振荡器的基态和激发态组成。QuEra QPU的运作方式是用激光诱捕原子，将它们排列在可编程的一维或二维布局中，并通过范德华力诱导原子间的相互作用。量子比特由原子的基态和高度激发态组成，即所谓的里德堡态。通过将原子从基态激发到激发态，QuEra的QPU能够实现一种被称为里德堡阻塞的现象，即相邻量子比特的量子态被控制量子比特的状态所固定。此外，客户可以动态地调整驱动场参数，从而控制量子比特的状态及其相互作用。

随着QuEra QPU在亚马逊Braket上的推出，研究人员可以利用亚马逊Braket、使用Aquila研究混合算法。

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Aquila：中性原子量子处理单元

QuEra QPU是一个特殊用途的装置，它将执行通用或基于门的计算的能力与有效解决特定任务的能力进行了交换。

QuEra的技术是基于铷原子来形成量子态。它有很多优点：

• 由于原子是中性的，而不是像离子阱中的原子那样带电，因此它们可以更紧密地放在一起，以获得更小的物理部分。
• 原子是用激光“光镊”放在基底上的，可以被放置成任何拓扑结构。这可以让终端用户为他们的特定问题创建一个定制的原子物理配置。
• 拓扑结构并不局限于固定的二维阵列或重型六角结构。不需要的原子不必放在基底上，为配置问题提供了灵活性。

灵活的原子排列和光学控制的可调性使Aquila能够实现一类丰富的哈密顿量。客户可以通过绝热或绝热的量子演化来探索这些哈密顿下的量子态的静态和动态特性。尽管中性原子处理器可以在数字或模拟模式下运行，但这个初始版本的Aquila只支持模拟模式。

迄今为止，由QuEra QPU实现的哈密顿方程已经被用于研究凝聚态和量子多体物理学中的几个感兴趣的科学问题。其中一个例子是观察自旋液相的出现，这是一种具有非局部、拓扑秩序的物质状态。由于展示非局域秩序所需的系统规模，这些相很难用数值来研究。QuEra QPU允许客户对复杂的晶格几何结构进行编程，如具有多达256个量子比特的Kagome晶格，这一系统规模足以探索这些新的状态。

QuEra QPU的多功能性实例。客户可以对几乎任意的原子排列进行编程，以研究从量子多体物理学到图形问题的广泛问题。

如上图所示，Aquila的用户不受限于特定的晶格几何形状，也不限于将量子比特排列成任何有规律的模式。除了强相关的多粒子系统之外，科学家们还能够证明，像Aquila这样的中性原子处理器适合以图形模式排列原子，并解决某些组合优化问题。也就是说，这些机器可以对最大独立集（MIS）问题进行编码，该问题在资源分配、网络设计等优化方面有广泛的应用。MIS问题可以被投射为一个变分问题，可以使用结合了量子和经典操作的混合的迭代优化循环进行计算。

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亚马逊Braket：量子计算云服务平台

实际上，2021年，亚马逊就利用其Braket量子计算服务平台上的Rigetti和IonQ量子处理器创建了真随机数。近年来，亚马逊及其AWS云计算部门在量子计算方面进行了多项重大投资。通过Amazon Braket，公司为开发人员提供了来自IonQ、Oxford Quantum Circuits、Rigetti和D-Wave等量子计算机以及其他软件工具和模拟器的访问权限。

Braket的工作原理：是一项完全托管式量子计算服务，旨在帮助加快量子计算的科学研究和软件开发。

Braket的已有客户。

此次，亚马逊Braket上提供的中性原子QPU Aquila使用一个固有的量子系统——可调整晶格上的原子，得以解决广大研究人员感兴趣的具体问题；现在，Aquila可以在美国的北弗吉尼亚地区使用。

学术界对此好评不断。马克斯-普朗克量子光学研究所（MPQ）理论部主任兼负责人Ignacio Cirac说[2]：“在我们实现容错的通用量子计算机之前，特殊用途的模拟量子设备在直接模拟其他量子系统方面的表现可能会超过经典计算。在MPQ的理论部，我们对亚马逊Braket上推出的QuEra设备感到兴奋，它使我们的研究团队能够在模拟量子模拟领域进行实验并追求新的想法。”

参考链接：

[1]https://aws.amazon.com/cn/blogs/quantum-computing/amazon-braket-launches-aquila-the-first-neutral-atom-quantum-processor-from-quera-computing/

[2]https://quantumcomputingreport.com/quera-launches-their-256-qubit-analog-quantum-processor-on-aws/

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