量子计算提出到今天有40多年了，为寻找最合适量子计算的量子比特，人们找遍了各种量子物理系统：离子阱、单光子、中性原子阵列、量子点、超导电路、金刚石色心……最近几年，随着量子计算优越性得到实验演示，量子纠错超越盈亏平衡点、实现容错量子计算成为实验室中攻关的重点，实用量子计算机曙光初现。在所有这些物理系统中，中性原子阵列量子计算机（以下简称中性原子量子计算）最近几年进步神速。2023年12月，美国哈佛大学Lukin组首次用中性原子量子计算展示了量子纠错，基于128个原子实现了48个逻辑量子比特，并对逻辑量子比特施加了量子门操作，引发广泛关注。正是由于这个标志性的实验，中性原子阵列被认为是实现实用量子计算最有希望的候选者之一。关注中性原子量子计算的人越来越多，借助这篇短文，笔者简要介绍一下这个研究方向。
与超导等其他量子计算路线相比，中性原子量子计算最突出的特点（优势）如下：1.规模最大，已实现超过6000个原子量子比特的阵列和操控，且规模还在迅速扩展中，预计量子比特数很快能突破10000量级。目前超导电路与离子阱系统量子计算机包含的量子比特数分别为1000和100量级。2.利用偶极相互作用和对原子阵列的移动，可实现非紧邻且并行的高保真度量子门，特别适合量子算法的高效编译与容错量子计算的实现。![]()
▲ 图一 中性原子量子计算机示意图，摘自Nature 604, 451 (2022)
典型的中性原子量子计算机如图一所示，中性原子先被装载到光镊中形成无缺陷的阵列（Zone2），然后移动原子到相互作用区（Zone1），通过激光操控原子的间距和内态到里德堡态，实现原子间的控制Z门、量子纠缠，乃至任意量子算法。![]()
▲ 图二 M. Lukin（左），M Greiner（右）
中性原子量子计算的发展最早可追溯到本世纪初，除了前文提到的M.Lukin，还有一位M.Greiner。有趣的是，他二人也分别代表了中兴原子量子计算发展道路上的两项重要技术。而他们后来的合作，也最终将中性原子量子计算推上了从科研向应用发展的快车道。2000年，Jaksch与Lukin等人合作提出把原子囚禁在光阱阵列中并激发到里德堡态【注1】，利用其偶极相互作用可以实现通用量子逻辑门乃至量子计算。2001年，M. Lukin人提出的把一团里德堡原子囚禁在光阱中，从而定义量子比特以及实现通用量子逻辑门的技术路线。2002年，德国马普所Bloch组的M. Greiner等人在基于光晶格的冷原子量子模拟技术方面取得的突破性进展。2009年，M．Greiner发明了冷原子显微镜，可以探测到光晶格中的单个原子。冷原子显微镜技术为中性原子阵列量子计算扫平了最大的障碍。2016年，Lukin与Greiner成功会师。他们合作实现首次实现了一维无缺陷原子阵列实验。如图一所示，他们先搭建了100个光镊的一维阵列，并把被激光冷却的原子团加载在这个光镊阵列上，大概有一半的光镊中装载原子。然后他们利用冷原子显微镜技术给这个光镊阵列拍照，识别出哪些光镊中有原子。通过对荧光计数进行统计分析，也可以确认每个光镊中最多只有一个原子。然后调控那些占据了原子的光镊位置，可在1秒内实现超过50个中性原子的无缺陷光镊阵列。与此同时，法国国家科学研究中心的Antoine Browaeys教授组也独立实现了无缺陷的2维里德堡原子阵列。不仅如此，他们还能实现对原子阵列的任意排布，组成任意的二维图样，如图三所示。![]()
▲ 图三 二维中性原子阵列荧光
自此之后，中性原子阵列量子计算与量子模拟技术发展步入快车道。2017年Lukin组实现了51个里德堡原子阵列Ising型量子多体自旋模型。2021年，Lukin组和Browaeys组各自独立的实现了包含数百个里德堡原子阵列的量子模拟器，实现了包含两百个原子的反铁磁相相变。接下来，Lukin组又实现了高速高保真度传输与可控的量子逻辑门，并制备了图态、表面码量子态等。这表明此系统不仅能作为可编程的量子模拟器，还能实现大规模通用容错量子计算。![]()
▲ 图四 利用中性原子阵列量子模拟器解最大割问题算法示意图，摘自Science 376, 1209 (2022)
从2022年开始，中性原子量子计算开始了应用上的探索。2022年初，Lukin组发表论文，基于多达289个里德堡原子阵列实现量子绝热算法，可高效解决最大独立集合问题，这是一个NP-hard的优化问题。他们通过理论分析认为此设备的计算速度可以产生平方加速。在实验中，通过与经典算法比较，对于那些最难的问题来说，他们认为已经产生了量子加速优势。谷歌超导量子计算机“悬铃木”推出的同一年，2019年，Lukin和Greiner等人发起成立创业公司QuEra Computing，2021年拿到1700万美金的风险投资。2023年，QuEra更是获得超过3000万美元的风投。![]()
▲ 图五 QuEra公司
法国Browaey教授也在2019年创办了Pasqal公司，推进里德堡原子阵列技术产业化，已经获得上亿欧元的风投。中国科学家们也加入了这个研究领域的产业化。2020年，中科院精密测量科学与技术创新研究院詹明生研究团队创办了中科酷原科技（武汉）有限公司，先后获得数千万人民币风投，前不久发布了超过100个量子比特的中性原子量子计算机。![]()
▲ 图六 中科酷原公司，专注于量子技术的原始创新和技术研发
中性原子量子计算系统也存在一些技术挑战亟待克服。首先是系统稳定性问题。测量时要依赖原子荧光，不可避免的会对原子反冲加热。由于光镊势阱深度相对较浅，有可能会把原子踢出去。实现量子算法时需要把原子打到里德堡态，也会影响光镊的稳定性。其次是量子门的速度问题：相比超导电路系统，中性原子量子计算的量子门速度要慢几个数量级。最后是测量和初始化速度问题，测量与初始化的特征时间也比超导电路慢几个数量级。这些问题综合起来，极大地限制了中性原子量子计算的速度。要解决这些问题，需要使用功率更大、频率更窄，稳定性更高的激光器，其次光路的锁相和锁频技术也需要发展到极限。![]()
▲ 图七 QuEra公司发布的中性原子量子计算路线图
2024年：推出具有10个逻辑量子比特（256个物理量子比特）的量子计算机，并在逻辑量子比特上实现容错的横向量子门，横向量子门不会导致错误在量子电路中传播，容易纠错。2025年：推出有30个逻辑纠错量子比特和魔态蒸馏的增强型量子计算机，其中包含3000多个物理量子比特。允许执行非克利福德门，这对于实现通用量子计算至关重要。2026年：推出拥有100个逻辑量子比特和超过10000个物理量子比特的量子计算机，从而实现深度逻辑量子电路，推动量子计算超越经典模拟的极限。这个规划环环相扣，不仅把逻辑量子比特数目推进到100的量级，实现对量子信息的保护，还将基于逻辑量子比特实现容错量子门，从而实现深度容错量子电路，将使计算可靠性与量子比特数目两方面同时跃进，标志着大规模深度容错量子计算时代的到来。这个三年规划体现了QuEra公司实现实用可容错量子计算的野心和信心。这个极具前景的行业吸引了不少技术人才和科研团队入场。笔者有位师弟曾在Lukin组做博后，2019年加入了QuEra公司负责量子算法理论。前几年我带过的一位本科生，2023年从瑞士ETH硕士毕业后转去了德国马普所Bloch组念博士，做的方向也是中性原子量子模拟与量子计算。在2024年CCF量子计算大会上，中性原子量子计算也是绝对的明星技术路线，国内已经有很多实验组开始尝试这个方向，希望抓住基于该技术容错量子计算的历史机遇。中国科学技术大学陆朝阳教授在大会报告中透露，他们实验室已经实现了超过2000个原子的量子计算机。笔者期待三年后，中国科学家在中性原子量子计算中也能步入世界最先进的水平。注1：所谓里德堡态，指被激发到轨道数n=50-100的高激发态原子，此时原子能级寿命达10微秒量级，原子轨道半径在微米量级，可实现距离微米量级中性原子之间的量子门。
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