最佳量子比特或许正是原子本身

在量子计算机最具扩展性的硬件方案的探索过程中，由单个原子构成的量子比特正脱颖而出。

Philip Ball 著

左   芬  译

【译注：原文2024年3月25日刊载于QuantaMagazine。】

Mikhail Lukin（左）首倡了中性原子量子计算的概念，并在近期与Markus Greiner一同取得了惊人的进展。

去年年底，科技巨头IBM做了一次称得上量子计算里程碑的发布：有史以来首个超过1000个量子比特的芯片，鹫（Condor）。考虑到该公司公布首个超过100量子比特的芯片，雕（Eagle），到现在只过了两年时间，看起来这一领域正在飞速前进。而要让量子计算机解决超出当今最强大的经典超级计算机能力的实用问题，还需要进一步扩大它们的规模——可能要到数万甚至数十万个量子比特。但那肯定只是一个工程问题而已，对吧？

不一定。扩大规模具有极大的挑战性，以致一些研究者认为需要采用与IBM和谷歌之流使用的微电子技术完全不同的硬件。鹫和谷歌的悬铃木（Sycamore）芯片是用超导材料的环构成的。这些超导量子比特目前在大规模量子计算的竞赛中像兔子一般遥遥领先。但现在有一只乌龟从后面赶了上来：由单个原子构成的量子比特。

近期的进展让这些“中性原子量子比特”摇身一变，从局外人变成了主要竞争者。

“过去两三年里见证的快速进步超过了之前的任何相同时段，”麦迪逊市威斯康星大学的物理学家Mark Saffman说。他指出至少有五家公司正在竞相将中性原子量子计算商用化。

与常规计算机的比特一样，量子比特也编码二元信息——1和0。但比特总是处在二者之一，而量子比特中的信息可以是不定的，处在一种同时具有两种可能性的“叠加”状态中。要执行计算，量子比特会通过所谓量子纠缠现象关联起来，从而让彼此可能的态相互依赖。一个特定量子算法可能需要对不同组量子比特进行一连串纠缠，而结果的读取是在计算的末尾执行一次测量，将每个叠加都坍缩到确定的1或0来实现的。

使用中性原子的量子态来这样编码信息的想法是在2000年代早期由哈佛大学物理学家Mikhail Lukin及其同事，以及新墨西哥大学由Ivan Deutsch领导的一个小组分别提出来的。在很长一段时间里，主流研究界都认为中性原子量子计算从原理上来说是个很好的想法，但实际上“并不太可行”，Lukin说。

“可是20年过后，其它方法还是没能一锤定音，”Saffman说，“而让中性原子行之有效所需的技术和能力已经逐渐进化到前途无量的关头了。”

在Lukin实验室里，一套繁复的激光系统被用于移动原子及改变原子状态，而这些原子则被控制在图中不可见的一个真空室中。

在Markus Greiner的哈佛小组以及麻省理工学院的Valadan Vuletic小组的协作下，Lukin在哈佛大学的实验室一直引领着这一领域的潮流。去年12月，这些研究者宣布他们生成了包含数百个中性原子量子比特的可编程量子电路，并以此执行了量子计算和错误纠正。而这个月，加州理工学院的一个团队宣布他们制成了6100个原子量子比特的阵列。诸如此类的结果在不断为这一方案赢取皈依者。

“如果十年前让我就量子计算的未来押注的话，我不太会考虑这些【中性原子】方法，”牛津大学的量子信息理论家Andrew Steane说道，“那可要铸成大错了。”

量子比特之战

不同类型量子比特的竞争中的一个关键因素是，每种量子比特能在它的叠加状态下维持多久而不被某些随机（例如，热的）涨落改变。对于IBM和谷歌的超导量子比特来说，这一“相干时间”通常最多在1毫秒左右。量子计算的所有步骤都必须在这一时间尺度内完成。

用单个原子的态来编码信息的好处之一是，它们的相干时间通常要长得多。此外，不同于超导线路，给定类型的原子是完全等同的，因此无需定制化的控制系统来输入和操控存在细微差异的量子态。

将超导量子比特连接成量子电路的连线会惊人地复杂，尤其是当系统规模扩大时。而对于原子而言，根本就不需要连线，所有的纠缠都是通过激光来实现的。

这一收益最初反倒是一种挑战。刻划复杂的微电子电路和连线已经有非常成熟的技术，而IBM和谷歌最初投资超导量子比特的一个可能原因就是，它们所需的这类电路系统正是这些公司所擅长的，而并非它们是毫无争议的最佳，英国杜伦大学研究中性原子量子计算的物理学家Stuart Adams称。“而以激光为基础的原子光学他们根本一窍不通。所有的工程学都是截然不同的。”

【译注：图片引自“世界科学”，2024年5月期。】

由带电原子——所谓离子——构成的量子比特也能用光来控制，并且很久以来都被认定为比中性原子更好的候选者。由于它们带电，离子可以相对容易地囚禁在电场中。研究者们在极低温下（以避免热晃动）将离子悬浮在一个微型真空腔里来制造一个离子阱，并用激光束切换它们的不同能量态来操控信息。拥有数十个量子比特的离子阱量子计算机如今已经实现，并有数家创业公司在发展商业化的技术。“到目前为止，离子阱在保真度、控制和相干性上拥有最好的性能，”Saffman说。

囚禁中性原子则更难，因为没有电荷可以利用。取而代之，原子被固定在由激光束产生的强光场中，也就是所谓光镊。通常原子倾向于处在光场最强的地方。

而离子也有一个问题：它们全都带相同符号的电荷。这意味着量子比特会相互排斥。随着量子比特数的增加，很难把它们都塞进同一片小区域中。而中性原子则不存在这种冲突。研究者认为，这使得中性原子量子比特更具扩展性。

此外，囚禁的离子通常被排成一行（或者近期的一圈环形“跑道”）。这一构使得纠缠一个离子量子比特和另一个，比如说一行里20位远的，变得非常困难。“离子阱天生就是一维的，”Adams说道，“你必须把它们排成一条线，这样的话要扩展到1000个量子比特会极其困难。”

中性原子阵列可以是二维格子，这样扩展起来就容易多了。“你可以在同一个系统里放置大量原子，并且当你不想让它们相互作用时就不会相互作用，”Saffman说。他的团队和合作者已经以这种方式囚禁了超过1000个中性原子。“我们相信可以在一厘米大小的器件中堆积数万乃至数十万个，”他说道。

事实上，加州理工学院团队在他们最近的工作中已经制造出容纳了约6100个中性铯原子的一个光镊阵列，尽管他们还没有在上面执行任何量子计算。这些量子比特还拥有长达12.6秒的相干时间，创造了这类量子比特的现有纪录。

里德堡阻塞

要让两个或者更多量子比特纠缠起来，它们得相互作用。中性原子“感知”彼此的存在是通过所谓的范德华力，而这是由一个原子对另一个近邻原子电子云涨落的响应方式所诱发的。不过这些微弱的力只有当原子极其靠近时才能感受到。利用光场把普通原子操纵到所需的精度范围根本无法实现。

正如Lukin及其合作者在他们2000年的原始主张里指出的那样，只要扩大原子自身的大小，相互作用距离就会急剧地增大。而电子拥有的能量越高，它就会跑到离原子核越远的地方去。如果用激光把一个电子泵送到比通常的原子能级高得多的一个能量态上——即以瑞典物理学家Johannes Rydberg命名的里德堡（Rydberg）态，他曾在1880年代研究过原子在离散波长下发射光的行为——电子会跑到距离原子核几千倍远的地方去。

这一尺度的放大使得相距数微米——在光阱中完全可行——的两个原子能相互作用。

以哈佛大学为首的团队生成的这一动图【译注：未能加载】展示了包含48个逻辑量子比特的电路的执行过程，而据他们称这是至今在量子计算机上执行过的最先进的电路。8个原子量子比特的小组先被移到一起，纠缠成纠错逻辑量子比特块，如红色椭圆所示。这些块接着被相互纠缠，生成包含数百个逻辑门操作的一个电路。

为了执行量子算法，研究者们首先将量子信息编码到一对原子能级中，并使用激光来实现电子在能级间的切换。接着他们开启原子间的里德堡相互作用来纠缠原子的态。一个给定原子能否激发到里德堡态，取决于它的电子处在两个能级中的哪一个——其中只有一个对应的能量可以与激发激光的频率共振。而如果原子当前已经跟另一个处在相互作用中，那么这一激发频率会稍微移动，使得电子无法与光共振，也就无法实现跃迁。这意味着任何时刻一对相互作用原子中只能有一个可以保持在里德堡态；它们的量子态是关联的——或者换句话说，是纠缠的。这就是所谓里德堡阻塞效应，最初由Lukin与合作者在2001年当作纠缠里德堡原子量子比特的一种方法提出来。它是一种全有或全无效应：要么存在里德堡阻塞，要么不存在。“里德堡阻塞让原子间的相互作用数字化了，”Lukin说道。

在计算的最后，用激光来读出原子的态：如果原子所处的态与光照共振，光会被散射，而如果它处在另一个态，则不出现散射。

2004年，康涅狄格大学的一个小组将铷原子囚禁并冷却到绝对零度以上仅100毫开尔文，证实了里德堡阻塞。他们冷却原子的方法是用激光“吸掉”原子的热能。这一方法意味着，与超导量子比特不同，中性原子不需要低温冷冻和累赘的制冷剂。因此这些体系可以做得非常紧凑。“设备整体上是在室温下，”Saffman说，“在这些超冷原子一厘米开外，你就有一个室温窗口。”

2010年Saffman及其合作者宣布利用里德堡阻塞在两个原子上实现了首个门运算——也就是计算机的基本元素，由一个或多个二元输入信号产生一个特定的二元输出。接下来关键的一步，2016年Lukin组和法国以及韩国的研究团队分别独立地弄清了如何将许多中性原子载入光阱阵列中，并任意移动它们。“这一创新为整个领域注入了新的活力，”德国加兴市Max Planck量子光学研究所的Stephan Dürr说道。他在将里德堡原子用于基于光的量子信息处理实验。

到目前为止的大多数工作都使用铷和铯原子，不过普林斯顿大学物理学家Jeff Thompson倾向于将信息制备在诸如锶和钇等金属原子的核自旋态中，因为这些拥有更长的相干时间。去年十月，Thompson与合作者公布了使用这些体系制备的两量子比特逻辑门。

里德堡阻塞并不一定要在单个原子间发生。去年夏天，Adams和他的合作者宣布他们在一个原子和一个受缚分子间制造了里德堡阻塞，而该分子是他们用光镊把一个铯原子拉到一个铷原子附近而人为生成的。混合原子-分子体系的好处是，原子和分子有相差很大的能量，因此可以轻易地操纵一个而不影响其它的。此外，分子量子比特可以有非常长的相干时间。Adams强调此类混合体系至少还落后全原子体系10年，并且两个这类量子比特间的纠缠也尚未实现。“混合体系相当困难，”Thompson说道，“但到了某个时间点我们可能不得不要去考虑它们。”

高保真量子比特

没有哪个量子比特是完美的：它们全都会引发错误。如果没能把这些错误探测出来并加以纠正，计算结果会被扰乱。

但所有量子计算都面临的一个巨大阻碍是，我们不能采用经典计算机识别和纠正错误的方法，也就是通过复制算法来直接追踪比特的态。量子计算的关键之处就在于，量子比特的态必须是不确定的，直到最后读出结果。如果你试图在那一时间点之前测量这些态，计算就被终结了。那么，该如何防止量子比特发生错误，哪怕在无法监视的情况下？

一种方法是将信息分散于许多物理量子比特——它们构成单个“逻辑量子比特”——使得在其中之一上发生的错误不会破坏它们集体编码的信息。只有当每个逻辑量子比特所需的物理量子比特数目不是很大时，这一方法才有实用性。而这一负担部分依赖于所用的纠错算法。

从左至右分别是：Simon Evered, Sophie Li, Alexandra Geim, Mikhai Lukin, Dolev Bluvstein及Markus Greiner。他们正在Lukin的实验室里观察着实验设备。

纠错的逻辑量子比特已经用超导和囚禁离子实现，但直到近期都还不清楚它们是否能用中性原子来得到。这一局面在去年12月发生了变化。以哈佛大学为首的团队展示了由数百个囚禁铷原子构成的阵列，并在48个逻辑量子比特上运行了算法，其中每个由7或8个物理原子组成。研究者们用这一体系执行了受控非门这样一个简单的逻辑运算，其中一个量子比特的0和1态是否翻转取决于第二个“控制”量子比特的态。为了执行计算，研究者们将原子在囚禁舱的三个不同区域间移动：原子阵列，特定原子被拖拽并用里德堡阻塞进行纠缠的相互作用区域（或者叫“门区”），以及读出区。而这一切能得以实现，Adams说，就在于“里德堡体系给予了你四处移动量子比特和实现任意量子比特间相互作用的能力，从而为你提供了超导量子比特所不具备的灵活性。”

以哈佛大学为首的团队针对一些简单的逻辑量子比特算法验证了纠错技术，而对于最大的拥有48个逻辑量子比特的体系，他们只是实现了错误探测。据Thompson所说，后者中的实验表明“他们可以选择性地摒弃掉带有错误的测量结果，从而鉴别出一部分错误较少的结果。”这一方法被称为后选择，不过尽管它也参与到量子纠错中，它本身并不解决问题。

里德堡原子或许适宜于新型纠错码。在哈佛大学工作中用到的所谓表面码，“非常流行但也非常低效，”Saffman说；它常常需要大量物理量子比特来制备一个逻辑量子比特。其它更高效的纠错码提议则需要让量子比特在相距很远时发生相互作用，而不仅仅是在最近邻时。中性原子量子计算的实践者们认为远程里德堡相互作用应该可以胜任这一点。“我非常有信心，在接下来两到三年里实验就会向我们表明负荷不会像人们想象的那么糟糕。”Lukin说。

尽管还有很多事情有待完成，Steane认为哈佛大学这一工作是“在实验室中实现纠错协议进程中的重大飞跃”。

衍生公司

诸如此类的进展让里德堡原子量子比特与它们的竞争者并驾齐驱。“高保真度门，大数目量子比特，高精度测量与灵活连接性的组合让我们认定里德堡原子阵列会成为超导和离子阱量子比特的切实竞争者，”Steane称。

与超导量子比特相比，这一技术只得到份额很少的投资。哈佛大学-麻省理工学院合作组拥有一家名叫QuEra的衍生公司。该公司已经制备了一款包含256个量子比特的里德堡量子处理器，名叫Aquila。这是一台模拟式“量子仿真器”，可以执行多量子粒子体系的仿真，并通过与Amazon的Braket量子计算平台的合作提供云服务。QuEra也在研究量子纠错的改进。

Saffman加入了一家叫Infleqtion的公司。这家公司正发展中性原子光学平台，以用于量子传感、通信以及量子计算。“如果某个大型信息技术公司很快与这些衍生公司之一开展某种合作关系，我会毫不惊讶。”Adams说。

“以中性原子量子比特来实现可扩展纠错肯定是可能的，”Thompson说道，“我觉得几年内10000个中性原子量子比特显然可以做到。”要继续突破，他认为出于激光功率和分辨率上的实际局限性，必须采用模块化设计，把多个独立的原子阵列连接到一起。

如果实现了这一点，谁知道它会引发什么呢？“我们甚至仍不清楚能用量子计算做些什么呢？”Lukin说道，“我非常希望这些新的进展能帮助我们回答这些问题。”

原文链接：https://www.quantamagazine.org/the-best-qubits-for-quantum-computing-might-just-be-atoms-20240325/