挑战谷歌、IBM！这匹初创“黑马”打造全球首台1000+比特量子计算机
光子盒研究院
原子计算公司（Atom Computing）自称是“一家致力于用光学捕获的中性原子制造世界上最具可扩展性的量子计算机的公司”。本月24日，该公司透露，它已经在其量子计算平台中创建了一个1225个站点的原子阵列（目前填充了1180个量子比特）。
公司宣布将于2024年推出的这台中性原子量子计算机——这将是全球首台超过1000量子比特的量子计算机。
Atom Computing公司的成立可以溯源到2018年：当时，本杰明·布鲁姆（Benjamin Bloom）和乔纳森·金（Jonathan King）用500万美元种子基金创立了这家总部位于加利福尼亚州伯克利的公司。布鲁姆获得了科罗拉多大学物理学博士学位，金则获得了加州伯克利分校化学工程博士学位。
2021年早些时候，公司从投资者Venrock、Innovation Endeavors和Prelude Ventures那里获得了1500万美元的A轮融资；公司还获得了美国国家科学基金会的三项资助。
随后，英特尔和联想的前高管罗布·海斯（Rob Hays）被任命为公司首席执行官兼总裁。就任2年多来，这位拥有20多年技术领导经验的业内翘楚正带领Atom Computing取得前所未有的市场领导地位。
目前，Atom Computing正集聚量子英才：叶军、Bert de Jong、Eliot Kapit都是公司的科学顾问；员工涵盖量子物理学家和设计工程师，充分满足了量子相关学科和应用的需求。
截至2023年10月，Atom Computing已经获得风险投资家超过8000万美元的资金，以及美国国家科学基金会 (NSF) 的数项研究资助。
那么，公司的优势在哪里呢？Atom Computing表示，自己“是第一家用光镊捕获中性原子原子阵列并从中创建核自旋量子比特的公司。”
就像经典计算机使用比特来表示1或0一样，每个量子比特都是用原子的核自旋来编码的。Atom Computing公司的技术团队操纵原子的电子能级来表示一或零状态，或两者的叠加。原子具有独特的性质，使其有可能扩展大量量子比特，从而可以在相对较长的时间内保持量子态；量子态保持的时间越长越好，因为它能让计算机运行更复杂的问题——这也为纠错提供了更多时间。
公司首席执行官罗布·海斯介绍道：“我们使用碱土金属，这种金属之所以被称为‘中性’，是因为它们具有封闭的电子外壳，这意味着它们不会相互吸引，核自旋不会受到环境扰动或噪音的影响。这就产生了非常稳定的量子比特。我们已经展示了创世界纪录的相干时间，每个量子比特的相干时间超过40秒。我们不是在制造芯片或设备来构建这些量子比特，而是在真空室中捕捉原子，因此不会有任何瑕疵，因为每个原子本质上都是相同的。”
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-29977-z
Atom Computing的量子计算机不使用电线或电缆，而是使用激光来捕获和冷却自由空间中的原子。“为了扩大规模，我们只需制造更多精确控制的光点。我们的原子间距只有几微米：它们之间的距离足够远，以至于它们在基态时不会相互影响；但又足够近，以至于它们可以在一种称为里德堡态的受控量子态中产生大量的相互作用。”
当今的量子计算机使用多种不同的量子比特技术。但无论采用哪种技术，所有量子计算量子比特的一个共同要求是必须具有可扩展性、高质量，并且能够快速实现量子相互作用。
IBM在其由大约20台量子计算机组成的庞大舰队中使用了超导量子比特；虽然亚马逊还没有量子计算机，但它计划使用超导硬件制造一台量子计算机。霍尼韦尔和IonQ都使用由稀土金属镱制成的陷落离子量子比特。相比之下，Psi Quantum和Xanadu使用的是光子。
Atom computing则选择使用了不同的技术——由中性原子制成的核自旋量子比特。这其实，“凤凰”（Phoenix）就是Atom第一代基于门的量子计算机平台，它使用了100个光学捕获量子比特。
“凤凰”使用使用激光作为代理，对锶-87量子比特进行高精度无线控制，并利用其独特的能级来创建自旋量子比特。
首先，一束热锶将原子移入真空室。接着，多束激光用光子轰击每个原子，将其动量减慢到接近静止状态，使其温度降至接近绝对零度。这个过程被称为激光冷却，它消除了对低温的要求，使量子比特更容易扩展。
然后，在玻璃真空室中形成光镊，将量子比特组装起来，并以光学方式困在阵列中。中性原子的一个优势是，处理器阵列不受限于任何特定形状，可以是二维或三维的。附加激光在原子间产生量子相互作用（称为纠缠），为实际计算做准备。在设定初始量子态并建立电路后，就可以进行计算了。
此次，公司最新的第二代中性原子量子计算机超过1000个量子比特的里程碑使Atom Computing成为构建容错系统竞赛中的有力竞争者。与“凤凰”不同的是，最新机器使用了镱-171原子来创建其量子比特。
改用镱-171的主要原因是，镱-171的核自旋为1/2，而锶-87同位素的核自旋为9/2，后者的自旋更为复杂。通俗地说，这意味着镱的最低态只有两个量子水平；与锶的复杂结构相比，只有两个量子水平使得镱的状态更容易操作和测量。
事实上，最近的一项研究认为，镱-171可能是所有量子比特材料中最好的一种。
Atom Computing公司首席执行官罗布·海斯(Rob Hays)表示，这种设计的另一个优势是很容易扩大系统规模，在网格中增加更多的量子比特。“你需要恰到好处的激光功率来固定原子、同时还能操纵它们的状态，并保持良好的保真度。同时做到这三点，并且做得恰到好处，这才是真正的挑战。”
Atom Computing的最终目标是建造一台能够实现真正量子优势的工作量子计算机，届时这种机器将能够超越传统计算机。事实上，谷歌此前曾表示，希望在2029年之前建成并运行这样一台量子计算机。
同样重要的是，AtomComputing现在在美国和全球最集中的两个量子计算创新中心——加利福尼亚州和科罗拉多州都有业务。
在伯克利实验室，布局被安装在一块“大面包板”上，许多连接和设备的接线顺序看似随意；但是这种面包板方法在开发原型时并不罕见。它允许随时进行调整，并能轻松地重新排列和更换元件。与此同时，由于缺乏模块化和元件暴露，在试图调整或更换另一个器件时，很容易不小心撞到一个器件。
博尔德实验室与位于伯克利的Atom Computing实验室形成了鲜明的对比。博尔德的研究人员将光学子系统集成到设计整齐、带有Atom Computing标识的黑盒子中。一切都模块化且易于使用。以前由第三方提供的控制系统已被Atom Computing的专有系统取代，并打上了公司的徽标。
尽管有些媒体大肆炒作，但大规模量子计算机的商业化并非指日可待。不过，距离实现也不会超过十年。
纠错是制造超大型量子比特机器的最大障碍之一，而这种机器的运行速度和计算能力要比我们最好的超级计算机快数十亿年。目前，纠错技术还不够成熟，无法构建容错计算机，但大量研究正在取得可喜成果。
如今，Atom Computing将自己定位在量子计算的“甜蜜点”上。它拥有优质的投资者、良好的路线图、前景广阔且可扩展的技术、出色的管理，而且现在位于美国两个最好的量子研究中心——靠近NIST和JILA的价值怎么强调都不为过。此外，在今年7月，AtomComputing还和美国能源部国家可再生能源实验室 (NREL) 宣布开展合作，探索量子计算如何帮助优化电网运营。
如今，许多不同类型的量子计算硬件技术正在进行原型开发。但在量子计算的现阶段，还无法预测哪种技术将首先用于构建容错的百万量子比特量子计算机。答案可能是一种尚未发现的技术，也可能是当今使用的量子比特硬件的增强版。
Atom Computing自称是一家致力于利用光学捕获的中性原子构建世界上最具可扩展性的量子计算机的公司。我们无法知道这是否会实现。不过，经过近期多项科技、商业成果的落地，我们可以证实Atom Computing仍然执着于这一目标。
参考链接（上下滑动查看更多）：
[1]https://medium.com/prime-movers-lab/featured-prime-mover-atom-computing-ceo-rob-hays-332232b00b64
[2]https://www.forbes.com/sites/moorinsights/2022/10/27/atom-computing-signals-high-confidence-in-its-quantum-strategy-by-committing-100-million-to-future-research-in-colorado/?sh=1c47ab64794b
[3]https://www.forbes.com/sites/moorinsights/2022/06/02/atom-computing-sets-a-world-record-coherence-time-for-neutral-atom-qubits/?sh=68e963fe7981
[4]https://atom-computing.com/quantum-startup-atom-computing-first-to-exceed-1000-qubits/
[5]https://www.prnewswire.com/news-releases/silicon-valley-up-start-atom-computing-chooses-colorado-to-build-next-generation-quantum-computers-301634618.html
[6]https://atom-computing.com/silicon-valley-up-start-atom-computing-chooses-colorado-to-build-next-generation-quantum-computers/
[7]https://www.nextbigfuture.com/2023/10/atom-computing-first-to-exceed-1000-qubits-with-1180-qubit-neutral-atom-quantum-computer.html
[8]https://siliconangle.com/2021/07/21/atom-computing-exits-stealth-quantum-computing-system-made-atoms-controlled-lasers/
[9]https://www.hpcwire.com/off-the-wire/atom-computing-wrapping-up-2022-and-looking-ahead-at-2023/
[10]https://www.forbes.com/sites/moorinsights/2021/11/18/atom-computing-a-quantum-computing-startup-that-believes-it-can-ultimately-win-the-qubit-race/?sh=5c44e2814689
[11]https://www.prnewswire.com/news-releases/atom-computing-and-national-renewable-energy-laboratory-exploring-electric-grid-optimization-using-quantum-computing-301881412.html
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