中性原子量子计算，异军突起

光子盒研究院

在未来量子计算平台的竞争中，中性原子一直处于下风。虽然基于中性原子的量子比特（qubit）有几个吸引人的特点，包括容易扩展量子比特数量和并行执行操作，但大多数注意力都集中在竞争对手的平台上。

许多最大的机器都采用了超导量子比特，包括IBM、谷歌、亚马逊和微软开发的机器。其他公司则选择了离子（如霍尼韦尔和IonQ）或光子（如Xanadu）。

不过，在过去几周里，几项引人注目的进展将中性原子推向了前台。其中之一来自一家名为Atom Computing的初创公司，该公司在10月底宣布，它将很快为客户准备好一台1000量子比特的中性原子机器——这是第一个通过这一里程碑的商业量子设备。

其他研究成果来自三个研究团队，10月初，他们分别在《自然》（Nature）杂志上发表了研究报告，描述了具有低噪声、新的错误缓解能力和扩展到更大量子比特数量的强大潜力的中性原子平台。

美国哈佛大学的米哈伊尔·卢金（Mikhail Lukin）领导的研究人员与麻省理工学院（MIT）、QuEra公司共同报告说，他们的中性原子量子计算机误差率为 0.5%

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06481-y

普林斯顿大学杰夫·汤普森（Jeff Thompson）实验室里的一束激光，他和他的同事最近在那里展示了一种消除中性原子量子计算机中错误的新方法

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06438-1

美国加州理工学院（Caltech）的研究人员将错误转化为擦除
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06516-4

这三项进展共同展示了中性原子量子计算机的能力，研究人员说，他们的想法可以结合成一台机器，比迄今为止展示的机器效果更好。当时，哈佛大学的卢金总结说：“所有这些成果一起问世，这就预示着即将出现一些特别的东西。”
两个月后，昨天，美国国防高级研究计划局 (DARPA)、哈佛大学、QuEra团队组成的研究小组制造出了一台量子计算机，它拥有有史以来数量最多的逻辑量子比特、最多可运行280个物理量子比特。
团队大部分科学家来自哈佛大学。通过使用精确、低功率的激光束（业内称为“激光镊子”）操纵单个原子，该团队能够创建“量子电路”，其纠错效率远高于其他技术：有可能克服实用量子计算机的最大障碍。哈佛大学团队采用了一种全新的纠错方法，将280个物理比特转化为48个逻辑比特。这比IBM希望在其下一代芯片中实现的效果要好20倍，比当前技术试图达到的1,000 比1的比例要高效200倍。
科学家们的赛跑速度有多快？一项事后计算表明，哈佛团队的实验性量子计算机可能比目前最先进的量子芯片——IBM的Condor强大四倍。
Condor于12月4日亮相，它拥有超过一千个量子比特：准确地说，是1121个量子比特。
逻辑量子比特是量子计算的“圣杯”。
有了这次团队的方法，科学家就不需要几千、几十万、几百万个物理量子比特来纠错了。如果这种方法奏效，速度将大大加快，令人惊叹。
为了更形象地量化这一突破，QuSecure的联合创始人丽贝卡·克劳塔默（Rebecca Krauthammer）表示，在网络安全方面，当逻辑量子比特达到4000时，“过去几年收集的数据就可以被解密：可能会暴露各种以前安全的信息，从社会安全号码到国家机密。”
在这种情况下，此次团队的48个逻辑量子比特可能听起来并不多。但量子计算机的计算能力是以指数级增长的。衡量原始潜在计算能力的最佳标准是量子比特的可能配置数量：对于10个量子比特来说，这个数字刚刚超过一千（1024）；如果是48个量子比特，这一数字将超过280万亿(准确地说，是281,474,976,710,656）。
近期的一系列研究成果无一不预示出，建造实用量子计算机的竞赛可能正在进入一个新阶段。

但这还并没有达到顶峰。与其他量子计算机设计相比，这次的方法更容易扩展，可以实现更大数量的逻辑量子比特。这是因为实验团队使用了一种物理量子比特，按照微小得难以察觉的粒子的标准，这种量子比特相对容易操作：它没有使用超导体或带电离子，而是使用了冷却到超低温的电中性原子。
哈佛大学科学家马库斯·格雷纳（Markus Greiner）解释说：“超导量子比特等既有平台已经为纠错工作了很长时间，但事实证明，它们很难真正创建这些逻辑量子比特，因为它们在如何连接物理量子比特方面有非常固定的拓扑结构。”
但通过使用电中性原子并用激光镊子操纵它们，格雷纳表示：“突然间，这些原本被认为非常困难的事情变得非常自然了。”
具体来说，为了操纵原子，一束微小的激光会将所选原子的电子充满能量，使它们进入所谓的里德堡状态，从而使它们更容易与附近的其他原子发生相互作用。
这种相互作用反过来又在粒子之间建立了量子纠缠这种不可思议的联系。如果你打开或关闭激光器，就可以上下抽动电子，改变原子相互作用的方式，这反过来又允许你将它们配置和重新配置成具有抗错能力的逻辑量子比特。

在中性原子量子处理器中，原子被称为光镊的紧密聚焦激光束阵列悬浮在超高真空中。
为了组装多个量子比特，物理学家将一束激光分成许多束，例如将其穿过一个由液晶制成的屏幕。这可以创造出由数百个光镊组成的阵列，每个光镊都捕获自己的原子。这些原子通常离它们的邻居只有几微米的距离，在那里它们可以在量子状态下持续几秒钟或更长时间。
为了使原子相互作用，物理学家将一个单独的激光器指向其中一个原子，使其进入激发状态，在这种状态下，外部电子的轨道比正常情况下离原子核更远。
这促进了该原子与邻近原子的静电相互作用。
利用光镊，研究人员已经建立了由200多个中性原子组成的阵列，他们正在迅速结合新的和现有的技术，将这些原子变成完全工作的量子计算机。
该技术的一个主要优势是，物理学家可以将多种类型的镊子（其中一些可以快速移动）与它们携带的原子结合起来。
过去五年来，中性原子光镊阵列在量子科学方面的快速进展表明，这些努力可能会产生更多意想不到的优势。

事实上，2022年开始，量子计算就已经掀起了中性原子热。多家公司推出了100+量子比特系统；芝加哥大学团队成功捕获了512个原子；展示了中性原子量子计算机的可编程性、通用性和可扩展性；Pasqal和ColdQuanta分别收购了一家量子计算软件公司。
量子计算为何掀起中性原子热？缘于其在量子模拟方面的优势。
中性原子量子计算机除了量子门描述量子比特时间演化的数字模式外，还可以在所谓的模拟水平上实现对设备的控制，可以直接操纵描述原子系综演化的数学算子(哈密顿量)。它不仅允许在应用门的过程中对脉冲进行更精细的控制，而且还可以直接使用系统的哈密顿量作为计算资源。这种模拟设置所允许的精细控制水平，加上大量可能的配置，使其成为量子处理的强大工具。
目前的中性原子量子计算公司中，有的正在研究模拟方法(例如Pasqal)，而有的则专注于门方法(例如Atom Computing)。其中，Pasqal正在开发混合数字/模拟解决方案。

主要的中性原子量子计算公司
中性原子量子处理器(QPU)能够实现数字和模拟量子处理任务。在数字计算中，量子算法被分解成一系列量子逻辑门，由如图3(a)所示的量子线路描述。这些量子门是通过将微调过的激光脉冲照射到寄存器中选定的单个原子子集上实现的。
在模拟计算中，激光被用于实现哈密顿量。量子比特根据薛定谔方程随时间演化，如下图所示。通过测量每个量子比特的状态来探测系统的最终状态。

数字处理与模拟处理。(a)在数字处理中，对量子比特应用一系列门来实现量子算法。每个门都是通过用激光束单独寻址量子比特来实现的。(b)在模拟处理中，量子比特在特定的哈密顿量H下演化，例如通过用激光束照射整个寄存器。系统的波函数|ψ〉遵循薛定谔方程
中性原子阵列适用于实现量子哈密顿量和实现模拟量子处理。里德堡原子表现为巨大的电偶极子，它们经历偶极-偶极相互作用，映射为自旋哈密顿量。寄存器的每个量子比特都表现为自旋，其状态为|↓〉=|0〉和|↑〉=|1〉。根据过程中涉及的里德堡态，自旋经历不同类型的相互作用，转化为不同的哈密顿量。研究最多的是伊辛模型，|↓〉为基态之一，|↑〉为里德堡态。
伊辛哈密顿量是解决凝聚态物质中许多问题的典型模型。例如一个描述材料科学中量子磁体在非常低的温度下如何演化的模型。在中性原子设备中，这种模型可以在包含数百个原子的1D、2D或3D阵列中实现，理论上将远远超过经典计算机的计算能力。
可以实现的自旋模型的另一个例子是XY哈密顿量。它在自旋状态下自然出现|↓〉和|↑〉是两个偶极耦合的里德堡态。自旋态之间的相干交换，将对态|↓↑〉转换为|↑↓〉。交换相互作用非常适合于研究受挫量子磁体或激发输运，特别是在光合作用的背景下，了解光能如何在捕光复合物中被带到反应中心。与寄存器中量子比特的可控几何形状进行关联，它还可以解决有机聚合物等拓扑材料的导电性问题。

结合各种状态，并利用寄存器中自旋的几何形状，中性原子QPU允许实现各种各样的自旋哈密顿量。在模拟量子处理的所有候选者中，光学阵列中的里德堡原子特别适合，因为它们提供了非常有利的品质因子Q~102。

中性原子设备在量子物质和生物化学研究中的应用。左图显示了高温超导体的氧化铜平面。人们通过多体电子哈密顿量(费米-哈伯德)来模拟这种系统，可以通过众所周知的变换将其映射到自旋系统上。右图显示了血红蛋白的结构。蛋白质活性位点的量子模拟可以带来对其反应性的新认识
从这个意义上来说，完全可编程的中性原子QPU的第一个自然应用是探索和解决许多科学领域的复杂量子现象，从固态材料的行为到化学和生化反应动力学。通过引导量子纠缠和叠加，人们可以在设备中再现被认为足以解释此类物理现象的关键元素。
这是量子世界中的一匹黑马。
“量子界正在探索多种途径，以实现更稳定、噪声更小的量子比特：主要有超导金属和离子俘获。”在哈德逊研究所研究军事技术的退役海军潜艇兵布莱恩·克拉克（Bryan Clark）说：“此次，DARPA资助的方法是一个例外，IBM、谷歌等大公司并没有采用这种方法......这是一个令人兴奋的发展。”
参考链接：[1]https://www.uvcpartners.com/blog/max-planck-scientists-found-planqc-to-build-highlyscalable-quantum-computer[2]https://physicsworld.com/a/neutral-atom-quantum-computers-are-having-a-moment/[3]https://www.nature.com/articles/s41586-022-04592-6[4]https://physicstoday.scitation.org/do/10.1063/PT.6.1.20220824a/full/[5]https://breakingdefense.com/2023/12/off-to-the-races-darpa-harvard-breakthrough-brings-quantum-computing-years-closer/

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