量子計(jì)算領(lǐng)域新里程碑，刷新世界紀(jì)錄！

潘建偉團(tuán)隊(duì)利用AI技術(shù)，在60毫秒內(nèi)成功構(gòu)建多達(dá)2024個(gè)原子的無缺陷二維和三維原子陣列，刷新了中性原子體系無缺陷原子陣列規(guī)模的世界紀(jì)錄。

為了展示這一快速重新排列數(shù)千個(gè)原子的新系統(tǒng)，研究人員還制作了一段以薛定諤的貓為主角的動(dòng)畫（包含549個(gè)原子）。

相關(guān)成果已發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》上，并被美國物理學(xué)會(huì)《物理》期刊作為研究亮點(diǎn)專門報(bào)道。

目前，該系統(tǒng)單比特門保真度達(dá)99.97%、雙比特門保真度達(dá)99.5%、探測(cè)保真度達(dá)99.92%，已追平以美國哈佛大學(xué)為代表的國際最高水平，為構(gòu)建基于中性原子陣列的容錯(cuò)通用量子計(jì)算機(jī)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

僅用60毫秒重排2024個(gè)原子

在介紹此研究之前，我們先看一下這個(gè)原子重排的技術(shù)到底有多牛。下面先展示一段以“薛定諤的貓”為主角的視頻。

該視頻以約33倍的慢速播放，展示了銣原子在230×230μm光鑷陣列中的動(dòng)態(tài)排列過程。

研究人員通過檢測(cè)原子受激光脈沖激發(fā)產(chǎn)生的熒光信號(hào)，對(duì)多達(dá)549個(gè)原子的空間位置進(jìn)行實(shí)時(shí)成像與追蹤。

為了進(jìn)一步展示該系統(tǒng)的強(qiáng)大，研究團(tuán)隊(duì)還特意制作了下圖，展示原子在三個(gè)水平層中復(fù)雜而精確的排列，其中每一層都模擬了石墨烯的結(jié)構(gòu)（右下角插圖）。

那為什么要研究中性原子體系呢？

首先，中性原子體系是指由不帶電的中性原子組成的系統(tǒng)，因具備優(yōu)異的擴(kuò)展性、高保真度量子門、高并行性和任意的連接性，被認(rèn)為是極具潛力的量子計(jì)算和量子模擬平臺(tái)。

在該體系中，中性原子被囚禁于光鑷陣列中。為開展量子邏輯門操作，需先利用重排技術(shù)，將最初隨機(jī)填充的原子陣列轉(zhuǎn)化為無缺陷陣列。

然而，傳統(tǒng)的重排方法受限于陣列規(guī)模增加帶來的時(shí)間復(fù)雜度、原子丟失及計(jì)算速度等問題，陣列規(guī)模長期停留在數(shù)百個(gè)原子的水平，難以進(jìn)一步提升。

量子計(jì)算機(jī)與這種重排方法有密切關(guān)系，它通常由一個(gè)或多個(gè)二維光學(xué)陷阱陣列中的原子構(gòu)成，每個(gè)原子充當(dāng)一個(gè)量子比特。在計(jì)算過程中，需要在陣列中移動(dòng)大量原子。

針對(duì)這一瓶頸，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士、陸朝陽教授等合作者創(chuàng)新性地利用人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高度的并行性，并使操作時(shí)間與陣列規(guī)模無關(guān)，僅用60毫秒就成功構(gòu)建了多達(dá)2024個(gè)原子的無缺陷二維和三維原子陣列。

簡單來說，就是以往技術(shù)無法靈活操控光鑷移動(dòng)原子，只能逐個(gè)調(diào)整。如今借助AI算法，研究人員能夠一次性完成光鑷陣列調(diào)控，實(shí)現(xiàn)任意規(guī)模陣列中原子的同步移動(dòng)。

△實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

審稿人對(duì)此項(xiàng)研究工作給予了高度評(píng)價(jià)：

• 通過組裝2024個(gè)原子的陣列創(chuàng)造了新的紀(jì)錄。
• 標(biāo)志著原子相關(guān)量子物理領(lǐng)域在計(jì)算效率和實(shí)驗(yàn)可行性方面的一次重大飛躍。
• 是一種創(chuàng)新的方法，具有明確且實(shí)用的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于原子陣列實(shí)驗(yàn)這一龐大且不斷發(fā)展的研究群體將具有重要吸引力。

目前，2024個(gè)原子的無缺陷陣列已經(jīng)刷新紀(jì)錄。不過，對(duì)這一重排技術(shù)來說，這個(gè)數(shù)字還遠(yuǎn)未到極限。從算力角度看，實(shí)現(xiàn)該規(guī)模陣列的重排只需兩塊英偉達(dá)4090顯卡。當(dāng)前之所以停留在這一規(guī)模，更多是受到其它技術(shù)與硬件條件的制約。

如果用 “木桶理論” 來形容，這次在原子陣列重排上的進(jìn)展，相當(dāng)于其中一塊木板有了質(zhì)的提升，而要真正擴(kuò)展量子比特的數(shù)量，還需要在多個(gè)領(lǐng)域補(bǔ)齊短板。

算法模擬結(jié)果表明，從2024個(gè)原子擴(kuò)展到數(shù)萬個(gè)并不存在本質(zhì)障礙，但要在真實(shí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，下一步必須提升激光器功率、挑戰(zhàn)更多極限性能，并持續(xù)增強(qiáng)整體平臺(tái)能力。

鐘翰森表示，單項(xiàng)指標(biāo)目前已經(jīng)取得領(lǐng)先，但從單項(xiàng)指標(biāo)走向工程化、系統(tǒng)化、集成化的過程中，還有很多工作要做。領(lǐng)域內(nèi)不同的研究團(tuán)隊(duì)在不斷地把木桶的所有木板湊齊，只不過各自的路徑不同。

至于通用量子計(jì)算機(jī)的前景，預(yù)計(jì)未來3-5年內(nèi)，它將在一些狹窄的領(lǐng)域成為科研工具，而實(shí)現(xiàn)如密碼破解等大規(guī)模應(yīng)用，可能還需10年左右。

說回此研究，它匯集了量子計(jì)算領(lǐng)域的頂尖團(tuán)隊(duì)，由上海量子科學(xué)研究中心（合肥實(shí)驗(yàn)室上海基地）、上海人工智能實(shí)驗(yàn)室以及中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的專家們共同合作完成。

團(tuán)隊(duì)介紹

下面讓我們來詳細(xì)了解一下團(tuán)隊(duì)成員：

潘建偉，浙江東陽人，2011年當(dāng)選中國科學(xué)院院士，2015年任中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)常務(wù)副校長。本科和碩士都就讀于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代物理系，后赴奧地利留學(xué)，獲維也納大學(xué)博士學(xué)位。

他多年從事量子信息領(lǐng)域的研究工作，并取得了一系列開創(chuàng)性的研究成果。

2016年，潘建偉任首席科學(xué)家的墨子號(hào)量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星成功發(fā)射，開展世界上首次衛(wèi)星和地面之間的量子通信。

2017年，潘建偉團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了世界首臺(tái)超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)（ENIAC）的光量子計(jì)算原型機(jī)。

2020年，潘建偉帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)成功構(gòu)建76個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章”，達(dá)成量子計(jì)算優(yōu)越性。

2021年，他和陸朝陽等人再次構(gòu)建“九章二號(hào)”，突破了113個(gè)光子的操縱技術(shù)。

2023年，他與陸朝陽、劉乃樂等成功構(gòu)建了255個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章三號(hào)”，再度刷新了光量子信息的技術(shù)水平和量子計(jì)算優(yōu)越性的世界紀(jì)錄。

陸朝陽，出生于浙江東陽，劍橋大學(xué)物理學(xué)博士，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授，與潘建偉院士共同構(gòu)建“九章”、“九章二號(hào)”、“九章三號(hào)”，曾被諾獎(jiǎng)得主Zeilinger稱為“量子鬼才”。

主要科學(xué)貢獻(xiàn)還包括：

1、證明虛數(shù)在量子力學(xué)中的必要性，奠定量子信息科學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。2、實(shí)現(xiàn)最高品質(zhì)的單光子和糾纏光源，構(gòu)筑量子信息技術(shù)的物理基礎(chǔ)。3、光量子信息技術(shù)的里程碑式突破：多自由度隱形傳態(tài)和九章量子計(jì)算。

陳明城，福建漳浦人，本科畢業(yè)于廈門大學(xué)，博士畢業(yè)于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，師從有“量子鬼才”之稱的陸朝陽，為“九章”“九章三號(hào)”及“祖沖之二號(hào)”量子計(jì)算原型機(jī)的主要作者之一。

2019年，入選福布斯中國30歲以下精英榜。2022年，達(dá)摩院青橙獎(jiǎng)名單公布，陳明城獲中國青年科學(xué)家獲獎(jiǎng)。

芮俊，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授，2010年與2015年于中國科大分別獲得學(xué)士、博士學(xué)位，后在中國科大上海研究院任職博士后、特任副研，隨后繼續(xù)在德國馬克思普朗克量子光學(xué)研究所從事博士后研究工作。

先后在Nature（2篇）、Science（1篇）、Nature Physics（2篇）、Nature Photonics（1篇）、Phys. Rev. Lett./X（6篇）等國際重要學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表論文18篇，被SCI他人引用共592余次。曾獲中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)墨子杰出博士后獎(jiǎng)學(xué)金、馬普-哈佛量子光學(xué)研究中心博士后獎(jiǎng)學(xué)金（首任）。

蘇兆鋒，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)特聘副研究員，2012年畢業(yè)于武漢大學(xué)，獲軟件工程學(xué)士學(xué)位，2018年在悉尼科技大學(xué)量子軟件與信息研究中心獲得博士學(xué)位。

鐘翰森，中國科技大學(xué)博士研究生，潘建偉院士團(tuán)隊(duì)核心成員，海奇算光啟信息技術(shù)有限公司的創(chuàng)始人，作為“九章”系列量子計(jì)算原型機(jī)論文的第一作者，他主導(dǎo)了光量子計(jì)算原型機(jī)的研發(fā)工作，實(shí)現(xiàn)了12光子糾纏等多項(xiàng)世界級(jí)科研成果。

2024年，他因在量子計(jì)算領(lǐng)域的突出貢獻(xiàn)獲得青橙獎(jiǎng)“最具潛力獎(jiǎng)”。2025年，入選2024年度《麻省理工科技評(píng)論》“35歲以下科技創(chuàng)新35人”中國區(qū)名單。

他對(duì)此研究表示：

AI和量子結(jié)合的研究目前來講并不多，而這項(xiàng)工作相當(dāng)于AI和量子結(jié)合相對(duì)早期的探索。這次探索針對(duì)的是中性原子量子計(jì)算領(lǐng)域，上海在這一領(lǐng)域已率先開展布局。