我國構建國際最大規模原子量子計算系統

近日，中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽教授等與上海量子科學研究中心/上海人工智能實驗室鍾翰森研究員等同事合作，利用人工智能技術，實現了高度的並行性以及與陣列規模無關的常數時間消耗，在60毫秒內成功構建了多達2024個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模的世界紀錄。該方法為大規模中性原子量子計算奠定了關鍵技術基礎。相關研究成果日前在國際學術期刊《物理評論快報》上發表。

△實驗裝置示意圖

中性原子體系因優異的擴展性、高保真度量子門、高並行性和任意的連接性，成為極具潛力的量子計算和量子模擬平台。該體系使用光鑷陣列囚禁中性原子，首先需要通過重排技術將初始隨機填充的原子陣列轉換成無缺陷原子陣列，在此基礎上進行量子邏輯門操作。傳統的重排方法受限於隨陣列規模增長的時間複雜度、原子丟失、計算速度等，陣列規模停留在幾百個原子的水平，難以進一步擴展。

為攻克該難題，研究團隊創新性地研發人工智能技術，即時驅動高速空間光調製器進行動態刷新，通過對光鑷陣列位置和相位的精確控制，同時移動所有原子。在該工作中，研究團隊演示了二維和三維原子陣列的任意構型重排，實現了高達2024個原子的無缺陷陣列，總耗時僅為60毫秒。隨着原子陣列規模增大，該重排方法耗時保持不變，因此未來可以直接應用於數萬原子規模的無缺陷陣列重排。目前，該系統單比特門保真度達99.97%，雙比特門保真度達99.5%，探測保真度達99.92%，已追平以美國哈佛大學為代表的國際最高水平，為構建基於中性原子陣列的容錯通用量子計算機奠定了技術基礎。

△數千原子無缺陷二維和三維陣列重排實驗結果圖

審稿人高度評價這項研究工作，認為這一工作“通過組裝2024個原子的陣列創造了新的紀錄”“標誌着原子相關量子物理領域在計算效率和實驗可行性方面的一次重大飛躍”“是一種創新的方法，具有明確且實用的優勢，對於原子陣列實驗這一龐大且不斷發展的研究羣體將具有重要吸引力”。

（總枱央視記者 帥俊全 褚爾嘉）