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近期三大实验，揭开1000 量子比特时代序幕！

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发布时间：2024-02-20

 

近期，量子计算领域见证了三项重大的实验进展，每一项都标志着向实现高度可扩展且高效的量子计算机迈出了关键一步。

 

首先，达姆施塔特工业大学的研究团队成功实现了1000+原子量子比特的突破，为量子计算机的规模扩展打开了新的可能性。

 

紧接着，慕尼黑量子谷的研究小组展示了大规模原子阵列连续运行的能力，超过一个小时的持续运行时间为中性原子量子计算的稳定性和持久性提供了有力证明。

 

最后，对大型原子阵列技术的持续改进和中性原子作为量子计算平台的潜力得到了进一步验证，特别是在量子门和逻辑量子电路的最新进展支持下，预示着量子计算在未来各个领域应用的广阔前景。

 

这三项实验共同推动了量子计算技术的边界，为实现超越传统计算能力的量子计算机铺平了道路。

 

 
2024年2月15日，达姆施塔特工业大学的研究团队取得了关键进展，向实现1000+量子比特的目标迈进了一大步。
 
该团队在2023年10月初首次通过arXiv预印本服务器公开其研究成果，报道了全球首个成功在单一平面内实现包含超过1000个原子量子比特的量子处理架构的实验。
 
经过同行评审，这项成果现已在权威期刊《Optica》上发表。
 
 
论文链接：
https://arxiv.org/abs/2310.09191
 
研究人员展示了如何通过结合最新的量子光学技术和先进的微光学技术，显著突破当前量子比特数量的限制。
 
他们通过采用一种创新的“量子比特增殖”（quantum bit supercharging）技术，成功克服了由于激光器性能限制而对量子比特数量造成的制约。
 
实验中，1305个单原子量子比特被精确装载进一个拥有3000个捕获位点的量子阵列中，并能被重新排列形成多达441个量子比特的无缺陷目标结构。
 
通过并行利用多个激光源，研究团队打破了之前技术上几乎不可能超越的界限。
 
通过交错排列两个独立微透镜生成的镊子阵列形成大规模原子量子比特寄存器
 
对于众多领域的应用而言，1000量子比特是一个关键门槛，量子计算的效率优势现在首次得到实际验证。因此，全球的研究者们一直在努力加速进展，希望能够首先实现这一重大突破。
 
达姆施塔特工业大学的研究团队在全球范围内率先实现了针对原子量子比特的这一突破，标志着量子计算领域的一个重要里程碑。
 
 
2024年1月31日，原子计算公司（Atom Computing）宣布，其研究团队发明了一项技术，能够持续为公司核心的量子计算技术——原子阵列，提供充足的量子比特。
 
 
论文链接：
https://arxiv.org/abs/2401.16177
 
在arXiv上发表的预印本文章中，Atom团队展示了他们如何组建超过1200个量子比特的阵列，并解决了量子计算中遇到的一个主要技术难题：“原子丢失”（atom loss）。
 
公司联合创始人及首席技术官本·布鲁姆（Ben Bloom）博士表示，这一进展确保了Atom Computing在扩展量子比特数量时，能够高效执行量子纠错中的中间测量及其他必要操作。
 
他强调：“所有量子计算技术都必须证明其能够扩展高保真量子比特的能力，中性原子系统也不例外。”
 
原子丢失可能由多种原因引起，例如真空室中的杂散原子可能会撞击量子比特使其偏移位置，或者在量子态的“读出”（read out）过程中偶尔被破坏。 
 
所有采用单个原子作为量子比特的量子计算机，包括捕获离子系统和中性原子系统，都会遇到原子丢失的问题。对于中性原子量子计算技术而言，这一问题尤其严重。
 
另一种策略是降低读出速度，以减少过程中丢失的量子比特数。不过，这会导致运行速度下降，效率降低。
 
此外，替换阵列中的单个量子比特也颇具挑战性。随着系统规模的扩大，传统的更换整个阵列的做法变得不切实际。
 
布鲁姆解释称：“为了实现纠错，需要量子信息能够在单个原子的寿命之后长期存在，因此我们需要找到有效的策略，以达到并保持大规模量子比特阵列。”
 
为了克服这些挑战，Atom Computing的研究人员为公司下一代量子计算系统设计了创新性的解决方案，预计明年将投入商用。
 
根据arXiv论文，Atom Computing开发了一种新方法，能够持续将镱原子加载到计算区，并在需要时进行存储。
 
通过利用光学镊子（集中的光束），可以在需要时将单个原子精确移动到阵列中，以替换丢失的量子比特。
 
此外，研究团队还设计并安装了一个光腔，它能够在成像过程中产生大量的深“能量井”（energy well），有效固定量子比特的位置，减少读出过程中的丢失。
 
重复加载序列概念图
 
用于快速低损耗成像的腔体增强型光学晶格
 
这些创新让Atom Computing团队能够展示出他们有能力持续为大型原子阵列完整加载超过一千个量子比特的能力。
 
 
2024年2月7日，慕尼黑量子谷的研究团队，在planqc联合创始人约翰内斯·泽赫尔（Johannes Zeiher）的带领下，在arXiv上发布了一项关于大规模原子阵列持续运行方面的重要进展报告。
 
这项与马克斯-普朗克量子光学研究所合作的实验，成功地扩展了中性原子量子比特阵列的规模。
 
 
论文链接：
https://arxiv.org/abs/2402.04994
 
实验结果显示，一个包含1200个原子的阵列能够连续运行超过一个小时，标志着中性原子量子计算机可扩展性的一个重大突破。
 
光晶格或镊子中的中性原子阵列扩展受到阻碍的一个主要因素是，随着系统规模增大，所需的制备时间也随之增加，这严重限制了使用光学手段捕获原子以组装大型有序阵列的能力。
 
为了克服这一挑战，研究团队采用了一种创新的循环利用原子的方法，即在连续的实验运行中不断地重新加载和添加原子到阵列中。
 
这一技术使得研究小组能够在一个光学晶格中形成一个包含超过1000个原子的高密度阵列，仅在2.5秒的净循环时间内便完成了约130个原子的重新加载。
 
这种方法不仅能持续维持大型阵列的规模和密度，而且能在每个周期内补充丢失的原子，确保阵列的长期稳定。
 
连续运行的概念和演示
 
原子的重新排列
 
此项实验的成功不仅是对操作大规模量子系统能力的显著提升，而且也为量子计算的实际应用探索了新的可能性，突破了系统规模和准备时间的既有限制。
 
持续运行的大型原子阵列对开发可扩展且容错的量子计算机至关重要，这种计算机有望解决当前经典计算无法应对的复杂问题。
 
展望未来，研究团队预计他们的技术可以组装出更大的原子阵列。
 
展望未来，研究团队期待他们的技术能够用于组装更大规模的原子阵列，理论上，只要配备足够的存储空间和高保真度的检测能力，就有可能实现每个周期加载100个原子的大约10,000个原子规模的扩展。
 
 
持续对大型原子阵列的改进，加上上述近期的研究成果，共同展现了其可扩展性的巨大潜力。
 
结合最新的量子门和逻辑量子电路技术进展，中性原子平台正日益展现出其作为量子计算实用平台的可能性。
 
下一步，也是最关键的一步，将是充分利用这些技术进步，通过执行当前经典计算无法完成的模拟和计算任务，极大增强量子计算机在各领域的影响力。从量子模拟到量子计量学，再到信息处理任务，能够持续运行的大型原子阵列的实现，将为多个科学领域带来前所未有的新见解和重大突破。
 
参考链接：
[1]https://atom-computing.com/novel-solutions-for-continuously-loading-large-atomic-arrays/
[2]https://www.eurekalert.org/news-releases/1034548
[3]https://phys.org/news/2024-02-atom-based-quantum-atomic-qubits.html
[4]https://thequantuminsider.com/2024/02/19/planqc-led-researchers-achieve-continuous-operation-of-1200-atom-array/
 
 

 

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