原子陣列實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)通用量子計(jì)算的前景和挑戰(zhàn)

隨著量子計(jì)算技術(shù)的不斷發(fā)展，原子陣列量子計(jì)算作為一種新興技術(shù)，展現(xiàn)出巨大的潛力和優(yōu)勢(shì)。近期，該領(lǐng)域取得了重大突破，為通用量子計(jì)算的實(shí)現(xiàn)邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。本文將介紹原子陣列量子計(jì)算的核心要素、發(fā)展歷程、優(yōu)勢(shì)以及近期突破的重要意義。

原子陣列量子計(jì)算簡(jiǎn)介

原子陣列量子計(jì)算由以下三個(gè)核心要素組成(圖1)：(1)利用原子內(nèi)態(tài)編碼量子比特。在使用堿金屬原子的陣列實(shí)驗(yàn)中，量子比特編碼在基態(tài)原子的兩個(gè)磁量子數(shù)為零的內(nèi)態(tài)能級(jí)上。這兩個(gè)原子內(nèi)態(tài)之間的相干時(shí)間很長(zhǎng)，可以達(dá)到數(shù)秒，該相干性此前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于原子鐘的精密計(jì)時(shí)；(2)利用光鑷束縛和操控原子。光鑷可以將原子的空間運(yùn)動(dòng)固定，通過(guò)可編程的方式控制光鑷，使原子在空間上排成陣列。通過(guò)移動(dòng)光鑷，可以將任何兩個(gè)原子移動(dòng)到一起，進(jìn)行門操作，可以動(dòng)態(tài)地實(shí)現(xiàn)All-to-All的全聯(lián)通性。這是原子陣列實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的一大特色；(3)利用里德伯激發(fā)進(jìn)行門操作。里德伯態(tài)是原子的高激發(fā)態(tài)，處于里德伯態(tài)的原子具有很強(qiáng)的相互作用，被稱為“里德伯阻塞效應(yīng)”。利用這一效應(yīng)，兩個(gè)相距幾微米光鑷中的原子也產(chǎn)生相互作用，以此可以實(shí)現(xiàn)兩比特，甚至多比特的量子門操作。

圖1 原子陣列量子計(jì)算示意圖。Rb87原子的兩個(gè)內(nèi)態(tài)能級(jí)被用于編碼量子比特，原子被光鑷俘獲和操控，兩個(gè)原子靠近后可以通過(guò)里德伯相互作用實(shí)現(xiàn)兩比特門操作(其中|r? 代表里德伯態(tài)，Ω代表單個(gè)原子激發(fā)時(shí)的拉比頻率)

原子陣列量子計(jì)算發(fā)展簡(jiǎn)史

基于原子的量子計(jì)算方案始于2000年前后，但初期的方案依賴于單比特尋址，效率和準(zhǔn)確率一直不高。相對(duì)于超導(dǎo)、離子阱來(lái)說(shuō)，原子系統(tǒng)此前是不被看好的通用量子計(jì)算平臺(tái)，基于冷原子的研究更多地是針對(duì)量子多體物理等方面。 研究人員于2016年實(shí)現(xiàn)了原子陣列重排。經(jīng)過(guò)多年的努力，直到近兩年才有了關(guān)鍵性突破，于2022年實(shí)現(xiàn)了具有動(dòng)態(tài)的、全聯(lián)通性的架構(gòu)。該架構(gòu)的主要優(yōu)勢(shì)是，不再需要進(jìn)行單比特尋址的局域操作，而是將需要相互作用的原子用光鑷全部移動(dòng)到一個(gè)“糾纏區(qū)”(entangling zone)，然后當(dāng)激光均勻地作用于“糾纏區(qū)”時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)高度并行的量子門操作。另一方面，通過(guò)不斷提高兩比特門保真度的不懈努力，2023年4月兩比特門保真度達(dá)到99.5%，突破了量子糾錯(cuò)碼所需要的保真度閾值。這些突破解決了此前制約原子陣列量子計(jì)算的瓶頸性問(wèn)題，開(kāi)展量子糾錯(cuò)編碼的技術(shù)條件已經(jīng)具備。不出所料，2023年12月，研究人員宣布用量子糾錯(cuò)碼編碼了48個(gè)邏輯比特，并進(jìn)行了數(shù)百個(gè)邏輯門操作。同時(shí)，還展示了邏輯比特線路中快速測(cè)量和基于測(cè)量結(jié)果的實(shí)時(shí)反饋。這項(xiàng)技術(shù)是之后量子糾錯(cuò)過(guò)程中必不可少的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

原子陣列量子計(jì)算的優(yōu)勢(shì)

相比于現(xiàn)在正在發(fā)展的其他一些量子計(jì)算平臺(tái)，原子陣列平臺(tái)有如下幾個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)：(1)易于擴(kuò)展。磁光阱中捕獲的冷原子通?？沙^(guò)千萬(wàn)量級(jí)，每個(gè)原子天然就是一個(gè)全同的物理比特。利用光鑷技術(shù)可以在磁光阱中俘獲足夠多的原子作為量子比特，并對(duì)其進(jìn)行可編程的單獨(dú)操控；(2)全聯(lián)通性。通過(guò)光鑷移動(dòng)原子可以將任意兩個(gè)或多個(gè)原子靠近，進(jìn)行量子門操作；(3)高度并行。通過(guò)將數(shù)十、數(shù)百個(gè)量子比特同時(shí)移動(dòng)到“糾纏區(qū)”，一次經(jīng)典操控可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)大量的量子門操作(圖2)；(4)統(tǒng)計(jì)屬性。很多量子計(jì)算的應(yīng)用場(chǎng)景，比如量子化學(xué)和材料計(jì)算，涉及到電子的費(fèi)米子屬性。如果要用不帶統(tǒng)計(jì)屬性的量子比特來(lái)研究電子問(wèn)題，需要編碼費(fèi)米統(tǒng)計(jì)，這是十分困難的。原子天然具有統(tǒng)計(jì)屬性，如果能利用費(fèi)米原子來(lái)實(shí)現(xiàn)費(fèi)米量子計(jì)算，則可以自然地解決這一困難。

圖2 利用里德伯阻塞并行地進(jìn)行多對(duì)原子間的兩比特或三比特量子門操作，使得一次經(jīng)典操控可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)大量的量子門和量子操作。CZ代表兩比特相位控制門，CCZ代表三比特相位控制門。右側(cè)能級(jí)圖展示了如何通過(guò)一束藍(lán)光(420 nm)和一束紅外光(1013 nm)將原子能級(jí)|1?態(tài)激發(fā)到里德伯態(tài)|r?

原子陣列量子計(jì)算近期突破的重要意義

該工作邁出了容錯(cuò)通用(fault-tolerant universal)量子計(jì)算的關(guān)鍵一步。我們現(xiàn)在使用的經(jīng)典計(jì)算機(jī)就是“容錯(cuò)通用”的?！叭蒎e(cuò)”是指在計(jì)算中允許硬件層面發(fā)生一些錯(cuò)誤，這些錯(cuò)誤可以通過(guò)糾錯(cuò)碼得以糾正，最后仍然得到準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果?！巴ㄓ谩笔侵缚梢酝ㄟ^(guò)在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行代碼，執(zhí)行不同功能的任務(wù)，而不是只執(zhí)行特殊定制的任務(wù)。 通過(guò)量子糾錯(cuò)編碼，可以將多個(gè)“物理比特”編碼成一個(gè)“邏輯比特”，其錯(cuò)誤率將被指數(shù)壓低?！斑壿嫳忍亍辈攀侨蒎e(cuò)量子計(jì)算的基本單元。當(dāng)然，邏輯比特也不是絕對(duì)沒(méi)有錯(cuò)誤的。糾錯(cuò)碼有一個(gè)碼距(code distance)的概念，一個(gè)碼距為d的糾錯(cuò)碼，只有同時(shí)發(fā)生大于等于d個(gè)物理比特的錯(cuò)誤時(shí)，邏輯比特才會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤。對(duì)于一個(gè)有效的糾錯(cuò)碼，碼距越大，邏輯比特的錯(cuò)誤率就越小。這次的實(shí)驗(yàn)進(jìn)展，通過(guò)糾錯(cuò)碼最多編碼了48個(gè)碼距為2邏輯比特；最大實(shí)現(xiàn)碼距為7的糾錯(cuò)碼編碼方案。同時(shí)，展示了隨著碼距的增大，邏輯比特的錯(cuò)誤率在降低，這說(shuō)明實(shí)現(xiàn)的糾錯(cuò)碼是有效的。此外，他們還進(jìn)行了邏輯比特層面的操作，這已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了此前其他平臺(tái)在容錯(cuò)量子計(jì)算方面所達(dá)到的水平。

原子陣列實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)通用量子計(jì)算的前景和挑戰(zhàn)

目前原子陣列量子計(jì)算的進(jìn)展，可以說(shuō)是剛剛踏入了容錯(cuò)通用量子計(jì)算的大門，未來(lái)的道路還很漫長(zhǎng)，也充滿挑戰(zhàn)。按照目前最先進(jìn)的技術(shù)，達(dá)到上萬(wàn)甚至十萬(wàn)量級(jí)的物理比特?cái)?shù)目，并將兩比特門的保真率達(dá)到99.9%，并以此為基礎(chǔ)，產(chǎn)生百位數(shù)的邏輯比特，是未來(lái)幾年極有可能達(dá)到的目標(biāo)。屆時(shí)，如何利用這樣規(guī)模的量子資源，特別是利用上述四點(diǎn)原子陣列平臺(tái)的硬件優(yōu)勢(shì)，做出一些有意義的量子計(jì)算成果，需要理論和實(shí)驗(yàn)的共同努力。這是當(dāng)前該領(lǐng)域具有重要實(shí)際意義的研究問(wèn)題。

圖3 原子陣列以及原子陣列重排 (a)重排前隨機(jī)裝載的原子，小框圈出了算法自動(dòng)識(shí)別出的原子坐標(biāo)，根據(jù)這些信息決策并執(zhí)行重排算法；(b)經(jīng)過(guò)重排后的無(wú)缺陷原子陣列。橫縱軸為成像相機(jī)的像素，每個(gè)像素對(duì)應(yīng)了原子處的空間尺度2 μm×2 μm 另一方面，當(dāng)前技術(shù)距離實(shí)現(xiàn)完全的容錯(cuò)通用量子計(jì)算仍有相當(dāng)?shù)牟罹?，其中主要有以下四個(gè)方面的挑戰(zhàn)：(1)更多。將物理比特?cái)?shù)量提升到至少千萬(wàn)量級(jí)甚至更大的規(guī)模，需要克服光學(xué)成像系統(tǒng)的視場(chǎng)限制、激光功率的限制、光學(xué)元件耐受性等問(wèn)題；

(2)更準(zhǔn)。要進(jìn)一步提高門操作的保真度，需要解決激光噪聲、里德伯態(tài)的壽命、黑體輻射和原子溫度等效應(yīng)的影響，以及提高量子態(tài)測(cè)量的精度；(3)更長(zhǎng)。要保持原子陣列不間斷地計(jì)算，需要發(fā)展模塊化的實(shí)驗(yàn)裝置，建立存儲(chǔ)模塊不斷補(bǔ)充原子；

(4)更快。要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的量子糾錯(cuò)，線路中快速測(cè)量和反饋是必不可少的，因此需要實(shí)現(xiàn)更快地信息讀取和量子比特的移動(dòng)。研究者要開(kāi)發(fā)新的光鑷操控的硬件、光腔和原子陣列的耦合等新技術(shù)以實(shí)現(xiàn)快速測(cè)量和量子糾錯(cuò)。

總之，原子陣列物理平臺(tái)已經(jīng)展示出實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)通用量子計(jì)算的巨大潛力。未來(lái)5年左右，如何利用上萬(wàn)量級(jí)的物理比特和原子陣列平臺(tái)的硬件優(yōu)勢(shì)，初步實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)量子計(jì)算，完成一些有意義的量子計(jì)算任務(wù)，這是擺在我們面前亟待解決的科學(xué)問(wèn)題。實(shí)現(xiàn)完全的大規(guī)模通用量子計(jì)算，是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程。通過(guò)未來(lái)5—10年的發(fā)展，人們有望看清楚原子陣列平臺(tái)能否最終達(dá)到這一目標(biāo)。

審核編輯：黃飛