创纪录！加州理工6100量子比特光镊阵列，打破“数量-质量”悖论
量子计算机需要大量的量子比特来处理物理学、化学及其他领域中极具挑战性的问题。
与经典比特不同，量子比特能够同时处于两种状态——这种现象被称为叠加态。
量子物理学的这一奇特性质使得量子计算机具备了在执行某些复杂计算时优于经典计算机的潜力，但这也意味着量子比特很脆弱。
为了弥补这一缺陷，研究人员正在制造配备额外冗余量子比特的量子计算机，以便纠正任何错误。
这就是为什么强大的量子计算机将需要数十万个量子比特的原因。
如今，朝着这一愿景迈进了一步，加州理工学院的物理学家们打造出了有史以来规模最大的量子比特阵列：
6100个中性原子量子比特被激光束缚在一个网格中。
此前此类阵列仅包含数百个量子比特。
这一里程碑出现在量子计算机规模迅速扩大的激烈竞争之中。
目前有几种研发途径，包括基于超导电路、被囚禁离子以及本次新研究中所采用的中性原子等技术的途径。
“对于中性原子量子计算来说，这是一个令人激动的时刻，”加州理工学院物理学教授曼努埃尔·恩德雷斯（Manuel Endres）说道，“我们现在可以看到通向具备大规模纠错能力的量子计算机的道路了。基础模块已经就绪。”
恩德雷斯是这项9月24日发表于《Nature》杂志的研究的首席研究员。
三位加州理工学院的研究生主导了这项研究，他们分别是汉娜·马内奇（Hannah Manetsch）、野村行平（Gyohei Nomura）和埃利·巴塔耶（Elie Bataille）。
埃利·巴塔耶（Elie Bataille）、梁健豪（Kon H. Leung）、野村行平（Gyohei Nomura）和汉娜·马内奇（Hannah Manetsch）在加州理工学院的实验室里。 图片来源：加州理工学院/兰斯·林田（Lance Hayashida）
汉娜·马内奇（Hannah Manetsch）正在加州理工学院曼努埃尔·恩德雷斯（Manuel Endres）的实验室里工作。 图片来源：加州理工学院/兰斯·林田（Lance Hayashida）
该团队利用光镊（高度聚焦的激光束）将数千个单个铯原子捕获在一个网格中。
为构建原子阵列，研究人员将一束激光分成12000个光镊，这些光镊在真空腔室中共同捕获了6100个原子。
“在屏幕上，我们实际上可以将每个量子比特看作是一个亮点，”马内奇说道，“这是大规模量子硬件的一幅令人瞩目的画面。”
一项关键成果是，证明了这种更大的规模并没有以牺牲质量为代价。
即便在单个阵列中有6000多个量子比特，该团队仍能让它们保持叠加态约13秒——这比此前类似阵列所能达到的时长几乎长了10倍——同时还能以99.98%的准确率操控单个量子比特。
此处看到的是梁健豪（Kon H. Leung）正在操作用于捕获6100个原子的设备。 图片来源：加州理工学院/野村行平（Gyohei Nomura）
“人们通常认为规模扩大、原子数量增多会牺牲精度，但我们的结果表明，我们可以两者兼顾，”野村说，“没有质量，量子比特就毫无用处。现在我们实现了数量和质量的双丰收。”
该团队还证明，他们能够在保持原子叠加态的同时，将这些原子在阵列中移动数百微米。
量子比特的移动能力是中性原子量子计算机的一项关键特性，与超导量子比特等传统的硬连线平台相比，它能实现更高效的纠错。
一个在超高真空中容纳着6100个被激光捕获原子的腔室。 图片来源：加州理工学院/兰斯·林田（Lance Hayashida）
马内奇将在保持原子处于叠加态的同时移动单个原子的任务比作在跑步时端着一杯水并保持平衡。
“在移动原子时试图抓住它，就好比努力不让手中的水杯倾倒。而还要让原子保持叠加态，就像是小心翼翼地不让自己跑得太快，以免水溅出来，”她说道。
该领域的下一个重大里程碑是在数千个物理量子比特的规模上实现量子纠错，而这项工作表明，中性原子是实现这一目标的有力候选者。
“量子计算机必须以一种能容错的方式对信息进行编码，这样我们才能真正进行有价值的计算，”巴塔耶说，“与经典计算机不同，由于所谓的不可克隆定理，量子比特不能简单地被复制，所以纠错必须依靠更精妙的策略。”
展望未来，研究人员计划将他们阵列中的量子比特以纠缠态连接在一起，在纠缠态下，粒子相互关联，表现得如同一体。
纠缠是量子计算机超越仅仅将信息存储在叠加态的必要步骤；纠缠将使它们能够开始进行完整的量子计算。
它也是赋予量子计算机终极能力的关键所在——即模拟自然本身的能力，在自然界中，纠缠影响着各个尺度下物质的行为。
目标很明确：利用纠缠来开启新的科学发现，从揭示物质的新相到指导新型材料的设计以及对支配时空的量子场进行建模。
“令人兴奋的是，我们正在制造机器，帮助我们以只有量子力学才能教给我们的方式去了解宇宙，”马内奇说道。
这项新研究《具有6100个高相干原子量子比特的光镊阵列》得到了戈登和贝蒂·摩尔基金会、韦斯顿·黑文斯基金会、美国国家科学基金会（通过其研究生研究奖学金计划以及加州理工学院的量子信息与物质研究所）、美国陆军研究办公室、美国能源部（包括其量子系统加速器）、美国国防部高级研究计划局、美国空军科学研究办公室、海辛-西蒙斯基金会以及亚马逊云科技量子博士后奖学金的资助。
其他作者还包括加州理工学院的梁健豪（Kon H. Leung），他是亚马逊云科技量子物理学高级博士后研究员，以及前加州理工学院博士后学者吕旭冬（Xudong Lv），他现在就职于中国科学院（上光所）。
图1 | 大规模光镊阵列
图2 | 大规模光镊阵列中的高保真原子探测
图3 | 受真空限制的长寿命以及高成像存活概率
图4 | 大型原子阵列中的长相干时间以及高保真单量子比特门
图5 | 长距离且高保真的相干传输
图6 | 静态和动态陷阱之间大规模高保真的相干转移
https://www.nature.com/articles/s41586-025-09641-4
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