中国科学家建成全球最大量子计算原子阵列
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同行评审专家称赞这一突破是原子相关量子物理学发展的“重大”进展。

Ling Xin

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由中国著名物理学家潘建伟领导的团队研制出了量子计算机的关键部件——一种原子排列装置，其阵列规模比以前的系统大 10 倍——这让人们希望，未来有一天它可以扩展到数以万计个这样的微小构建块。

根据上周同行评审的《物理评论快报》发表的一篇论文，潘建伟和他的中国科学技术大学团队采用的方法克服了基于原子的量子计算的一个主要障碍。

研究人员设计了一种人工智能系统，能够在短短六万分之一秒内将 2000 多个铷原子（每个原子作为量子比特，即量子计算的双态基本单位）排列成完美的图案。

根据该大学网站上的新闻稿，该里程碑阵列被论文审稿人誉为“原子相关量子物理学在计算效率和实验可行性方面的重大飞跃”。

自 20 世纪 80 年代首次提出量子计算机概念以来，已经出现了三种构建量子计算机的主要方法，其中基于原子的方法被认为特别有前景。

与使用超导电路或捕获离子作为量子比特的替代方案不同，中性原子更稳定，更容易控制大量原子。然而，迄今为止，基于原子的系统仅限于几百个原子的阵列。

在基于原子的量子计算机中，原子被称为光镊的聚焦激光束固定在适当位置，光镊可以操纵原子的能级并将它们连接起来以进行计算。

到目前为止，原子必须被逐个移动到精确的位置——这是一项缓慢而具有挑战性的任务，随着原子数量的增加，这项任务变得更加耗时，并且严重限制了工作阵列的大小。

潘建伟的团队与上海人工智能实验室的同事合作，开发了一种实时运行的人工智能系统，可以同时移动阵列中的每个原子。

科学家利用高速空间光调制器，对激光束进行整形，将原子捕获并重新排列成二维和三维图案，在短短 60 毫秒内创造出 2,024 个铷原子的完美阵列。

至关重要的是，无论阵列变得多大，重新排列原子所需的时间保持不变，这表明该方法有可能扩展到巨大的数量，根据该论文。

该装置还达到了世界一流的精度，单量子比特运算精度达 99.97%，双量子比特运算精度达 99.5%。据称，该系统还能以 99.92% 的精度检测量子比特的状态。

研究人员表示，虽然结果与哈佛大学等顶尖机构的最好成绩相当，但新系统仍然存在一些局限性。

在他们的3D装置中，他们只能移动同一层内的原子——上下移动原子都有丢失的风险。由于用于整形激光束的设备的功率和精度有限，阵列的大小也受到限制。

科学家们表示，研究界的下一步是开发更强大的激光器和更快、更精确的光调制器。他们补充说，完美排列数万个原子的能力有朝一日或许能催生出真正可靠的量子计算机。

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