近日，我國量子計算領域技術研究取得突破性進展。相關實驗利用人工智能技術，實現了高度的并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。

　　

 

　　數千原子無缺陷二維和三維陣列重排實驗結果圖 本文均為受訪者供圖

　　8月9日，這項由上海量子科學研究中心(合肥實驗室上海基地)、上海人工智能實驗室、中國科學技術大學聯合開展的研究成果，發表在國際學術期刊《物理評論快報》上，并被美國物理學會《物理》作為研究亮點專門報道。

　　審稿人高度評價這項研究工作，認為這一工作“標志著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，對于原子陣列實驗這一龐大且不斷發展的研究群體將具有重要吸引力”。

　　AI賦能量子計算研究突破

　　上海人工智能實驗室青年科學家、上海創智學院全時導師鐘翰森是該研究的負責人之一。鐘翰森表示，AI和量子結合的研究目前來講并不多，而這項工作相當于AI和量子結合相對早期的探索。這次探索針對的是中性原子量子計算領域，上海在這一領域已率先開展布局。

　　因為具有優異的擴展性、高保真度量子門、高并行性和任意的連接性，中性原子體系是極具潛力的量子計算和量子模擬平臺。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。

　　然而，傳統的重排方法受限于隨陣列規模增長的時間復雜度、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。AI的發展為研究團隊提供了新的思路，為了攻克這個難題，研究團隊創新性地研發AI技術，實時驅動高速空間光調制器進行動態刷新，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。

　　通俗地說，過去技術無法自如地控制光鑷來移動原子，只能一個個原子依次進行。如今依賴AI算法，研究人員能夠一次性完成光鑷陣列的調控，不論多大規模的陣列都可以實現原子同步移動。

　　

 

　　實驗裝置示意圖

　　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。而隨著原子陣列規模增大，該重排方法能夠將耗時保持不變，未來可以直接應用于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，為構建基于中性原子陣列的容錯通用量子計算機奠定了技術基礎。

　　中國科學技術大學上海研究院執行院長、上海量子科學研究中心副主任陸朝陽表示，這項研究借助AI找到了極為有效的方法，體現了速度快、精度高、可擴展的三大優點。在他看來，這是可以寫進中性原子量子計算機發展史的里程碑技術突破，而這項突破“源自中國”。

　　量子研究的未來

　　2024個原子的無缺陷陣列已經刷新世界紀錄，而對于這項重排技術來說，2024還遠不是上限。在算力角度上，目前實現2024個原子陣列重排的，僅需兩張英偉達4090顯卡。之所以目前僅構建這一數目的陣列，很大程度上是受限于其他技術和硬件條件等。

　　如果用“木桶理論”來解釋，那么原子陣列重排技術的突破實現了其中一塊“木板”的飛躍，而要真正把量子比特的規模擴大，還需要解決多個領域的問題。目前在算法模擬環境中驗證，把2024個原子擴大到數萬個不是問題，而要在實際的實驗平臺上實現，下一步必須提高激光器的功率，測試更多極限性能，進一步提升平臺能力。

　　鐘翰森表示，單項指標目前已經取得領先，但從單項指標走向工程化、系統化、集成化的過程中，還有很多工作要做。領域內不同的研究團隊在不斷地把木桶的所有木板湊齊，只不過各自的路徑不同。

　　我們離通用量子計算機還有多遠呢?在未來3-5年的時間內，量子計算機能夠在一些狹窄的領域作為科學工具幫助人們開展研究，而要實現密碼破譯等大規模應用，還需要10年左右。

　　此次的技術突破由上海和安徽合作而成，既體現了高水平的科研，又體現了“有組織的兵團作戰”。現階段，量子計算作為重要的未來產業，受到上海的高度重視。去年，上海啟動了量子計算機整機的研制，目前正在策劃量子計算未來產業集聚區的建設。市科委相關處室負責人表示，接下來要持之以恒支持整機研制，力爭在裝備設備領域突圍，尤其要培養更多量子領域的年輕人。