量子计算的最佳量子比特可能就是原子

苦山/编译

在为量子计算机寻找最具可扩展性的硬件的过程中，由单个原子构成的量子比特

正在迎来突破性的时刻。

2023年年底，科技巨头IBM宣布了一个听起来像是量子计算领域里程碑事件的消息：他们推出了有史以来第一款拥有1000多个量子比特（qubits，又称量子位）的芯片，名为“秃鹰”。考虑到仅仅在两年前，该公司才刚推出首款拥有100多个量子比特的芯片“鹰”，这似乎表明该领域正在飞速发展。要制造出能解决今天最强大的经典超级计算机也无法解决的有用问题的量子计算机，就需要进一步擴大它们的规模——也许量子比特数要达到数万甚至数十万才行。但这肯定只是一个工程问题，对吧？

不一定。扩大量子计算机规模的挑战太过巨大，以至于一些研究人员认为，这将需要完全不同于IBM及谷歌等公司所使用的微电子硬件。“秃鹰”和谷歌的“悬铃木”芯片中的量子比特是由超导材料环组成的。到目前为止，这些超导量子比特一直是全规模量子计算竞赛中领跑的那只兔子。但现在，有一只乌龟从后面赶了上来：由单个原子构成的量子比特。

近期的进展已经令这些“中性原子量子比特”从局外者摇身一变，参与到竞争中来，并取得了领先。

美国威斯康星大学麦迪逊分校的物理学家马克 · 萨夫曼（Mark Saffman）表示：“过去两三年间取得了比以往任何时期更大的进展。”据他统计，至少有五家公司正在竞相将中性原子量子计算商业化。

和普通计算机中的比特一样，量子比特对二进制信息（1和0）进行编码。但是，与比特始终处于一种或另一种状态不同，量子比特中的信息可以是不确定的，处于一种所谓的“叠加态”，使得两种可能性都获得一定的权重。在进行计算时，量子比特通过一种叫作量子纠缠的现象连接起来，这使得它们各自的可能状态相互依存。一种特定的量子算法可能需要不同的量子比特集之间产生一系列的纠缠，在计算结束时进行测量，将每个叠加态坍缩为一个确定的1或0，从而读出答案。

21世纪初，哈佛大学的物理学家米哈伊尔 · 卢金（Mikhail Lukin）和同事提出了使用中性原子的量子态来编码信息的这种方式，美国新墨西哥大学一个由伊万 · 多伊奇（Ivan Deutsch）领导的小组也提出了类似的观点。卢金说，很长一段时间以来，更广泛的研究群体一致认为中性原子量子计算在原则上是个好主意，但在实践中“它就是行不通”。

“但20年过去了，其他方法还没能解决问题，”萨夫曼表示，“而实现中性原子量子计算所需的技能和技术已经逐渐发展到了似乎大有希望的地步。”

卢金在哈佛的实验室与哈佛大学的马库斯 · 格莱纳（Markus Greiner）团队以及麻省理工学院的弗拉丹 · 武勒提（Vladan Vuletic）实验室合作，一直处于领先地位。2023年12月，这些研究人员报告称，他们已创建了具有数百个中性原子量子比特的可编程量子电路，并用它们进行了量子计算和量子纠错。2024年3月，加州理工学院的一个研究团队报告说，他们制造了一个包含6100个原子量子比特的阵列。这些结果正日益吸引其他人转向这种方法。

“如果是十年前，我在对量子计算的未来进行押注时不会把这些（中性原子）方法也算进去，”牛津大学的量子信息理论家安德鲁·斯蒂恩（Andrew Steane）表示，“那会是一个错误。”

量子比特之战

在量子比特各类型间的竞争中，关键问题之一是，在被某种随机波动（例如，热波动）改变前，每种量子比特能够维持其叠加态的时长。对于IBM和谷歌的超导量子比特而言，这种“相干时间”通常最多维持在一毫秒左右。量子计算的所有步骤都必须在这个时间框架内完成。

在单原子的状态下编码信息的优势之一在于，它们的相干时间通常要长得多。此外，与超导电路不同，给定类型的原子都是完全相同的，因此不需要定制控制系统来输入和操纵差别细微的量子状态。

而且，将超导量子比特连接为量子电路的布线可能会极其复杂（随着系统规模扩大，情况将越发如此），但原子量子比特不需要布线。所有的纠缠都是使用激光实现的。

这一优势在最初反倒是个挑战。英国杜伦大学的物理学家斯图尔特 · 亚当斯（Stuart Adams）从事中性原子量子计算研究。他表示，对于复杂的微电子电路和线路，已经有了一套成熟的雕刻技术，IBM和谷歌在最初选择投资超导量子比特，其原因之一并非在于它们显然是最好的，而是因为它们所需的电路是这些公司做惯了的。“基于激光的原子光学对他们来说全然陌生。所有的工程都完全不同。”

由带电原子（又称离子）构成的量子比特也可以用光控制，而且长期以来，离子被认为是比中性原子更好的量子比特候选者。由于离子带有电荷，它们相对容易被电场捕获。研究人员已经创造出了离子阱：他们在超低温下将离子悬浮在一个微小的真空腔中（以避免热扰动），并用激光束将它们切换到不同的能量状态，从而操纵信息。目前，拥有数十个量子比特的离子阱量子计算机已经得到了验证和演示，几家初创公司也正在开发这项技术以实现商业化。“到目前为止，在保真度、控制和相干性方面性能最高的系统就是由捕获离子构成的系统。”萨夫曼说。

捕获中性原子则更为困难，因为它们没有电荷。对付它们需要换一种方法：原子被固定在激光束创造的强光场中，这种强光场被称为光镊。原子通常倾向于停在光场光强梯度最强的位置。

而且，离子有一个问题：它们所带的电荷符号是相同的。这意味着量子比特之间会相互排斥。离子数量越多，将它们塞进同一个小空间就越困难。对于中性原子而言，则不存在这种张力。研究人员说，这使得中性原子量子比特更具可扩展性。

更重要的是，被捕获的离子要被排列成一行（或者近来，人们将它们排成一个循环的“赛道”）。这种配置使得一个离子量子比特很难与，比如说，同一行中相距20个位置的离子量子比特产生纠缠。“离子阱本质上是一维的，”亚当斯说，“你必须将它们排成一行，因此很难想象你要如何用这种方式搞定多达1000个量子比特。”

中性原子阵列可以是二维网格，这样更容易扩大规模。“你可以在同一个系统中放置很多量子比特，而且在你不希望它们互相作用时，它们就不会互相作用。”萨夫曼说。他的团队和其他团队已经以这种方式捕获了超过1000个中性原子。“我们相信我们可以在厘米级大小的装置中装入数万甚至数十万个原子。”他说。

事实上，加州理工学院的团队在最近的工作中创造了一个包含大约6100个中性铯原子的光镊阵列，不过，他们还没有用它们进行任何量子计算。这些量子比特的相干时间达到了惊人的12.6秒，这是迄今为止这种类型的量子比特所拥有的最高纪录。

里德伯阻塞

要让两个或更多的量子比特相互纠缠，它们需要相互作用。中性原子通过所谓的范德华力“感受”到彼此的存在，范德华力源于一个原子对附近另一个原子的电子云波动的反应。但这些微弱的力量只有在原子非常接近彼此时才能感受到。利用光场操纵普通原子到所需的精度就是不可能的。

正如卢金和同事在2000年的最初提案中指出的那样，如果我们增加原子本身的大小，相互作用的距离可以显著增加。电子的能量越高，就越容易远离原子核。如果使用激光将一个电子的能态激发到远大于原子中电子通常能态的水平，那么电子远离原子核的距离可以达到通常情况下的数千倍——这种能态被称为里德伯态，以瑞典物理学家约翰内斯 · 里德伯（Johannes Rydberg）的姓氏命名，里德伯在19世纪80年代研究了原子如何以离散波长发光。

这种尺寸上的增加使得相距几微米的两个原子能够相互作用，而使原子相距几微米在光阱中是完全可行的。

为了实现量子算法，研究人员首先在一对原子能级中编码量子信息，利用激光在能级之间切换电子。然后，他们通过开启原子之间的里德伯相互作用来纠缠原子状态。一个给定的原子是否会被激发到里德伯态，取决于它的电子处于两个能级中的哪一个——只有其中一个能级的能量能与激发激光的频率产生共振。如果原子当前正在与另一个原子相互作用，那么这个激发频率就会发生轻微偏移，这样电子就不会与光共振，也就无法完成跃迁。这意味着，在任何时刻，一对相互作用的原子中只有一个原子能维持里德伯态。它们的量子态是相关的，换句话说，是纠缠的。2001年，卢金和同事首次提出了这种所谓的“里德伯阻塞”，称它是一种纠缠里德伯原子量子比特的方法，是一种“全有或全无”的效应：要么有里德伯阻塞，要么没有。“里德伯阻塞使原子间的相互作用数字化了。”卢金说。

在计算结束时，激光读取原子的状态：如果原子处于与光照共振的状态，光会被散射，但如果它处于另一状态，则不会出现散射。

2004年，美国康涅狄格大学的一个研究团队展示了在绝对零度以上仅100微开的条件下被捕获和冷却的铷原子之间的里德伯阻塞。他们使用激光“吸出”原子的热能来冷却原子。这种方法意味着，与超导量子比特不同，中性原子不需要低温冷却，也不需要麻烦的制冷剂。因此，这些系統可以做得非常紧凑。“整个装置处于室温之下，”萨夫曼说，“仅仅距离这些超冷原子一厘米的位置，就有一扇处于室温的窗。”

2010年，萨夫曼和他的同事报告了首个利用里德伯阻塞、由两个原子制成的逻辑门——逻辑门是计算机的基本组件之一，一个或多个二进制输入信号通过逻辑门，并生成一个特定的二进制输出。随后，至关重要的是，在2016年，卢金的团队以及法国和韩国的研究小组都各自找到了将多个中性原子装载入光阱阵列并随意移动它们的方法。“这项创新给这个领域注入了新的生命。”斯特凡 · 杜尔（Stephan Dürr）表示。他来自位于德国加兴的马克斯·普朗克量子光学研究所，使用里德伯原子进行基于光的量子信息处理实验。

到目前为止，大部分研究成果都使用了铷和铯原子，但是普林斯顿大学的物理学家杰夫 · 汤普森（Jeff Thompson）更喜欢在诸如锶和镱这样的金属原子的核自旋态中编码信息，这些原子具有更长的相干时间。2023年10月，汤普森和同事报告了由这些系统制成的两个量子比特大小的逻辑门。

里德伯阻塞也不一定要发生在孤立的原子之间。2023年夏天，亚当斯和他的同事们证明，他们能在一个原子和一个被捕获的分子之间制造里德伯阻塞——他们使用光镊将一个铯原子拉到一个铷原子旁边，人为地制造出了这种阻塞。原子-分子混合系统的优势在于，原子和分子具有截然不同的能量，这使得在不影响其中一方的情况下操纵另一方变得更加容易。此外，分子量子比特可以拥有非常长的相干时间。亚当斯强调，这种混合系统的研究进度至少比全原子系统落后10年，并且两个此类量子比特的纠缠尚未实现。“混合系统真的很难，”汤普森说，“但我们可能会在某个时刻不得不用上它们。”

高保真量子比特

没有完美的量子比特：所有量子比特都可能出错。如果不对这些错误做检测和修正，它们就会扰乱计算结果。

但是，所有量子计算都存在一大障碍，那就是无法像经典计算机那样识别和纠正错误，因为经典计算机的纠错算法只是通过复制来追踪比特的状态。量子计算的关键在于，在读出最终结果之前，量子比特的状态是不确定的。如果你试图在此之前测量这些状态，就会终止计算。那么，对于这些我们甚至无法检测到的错误，如何确保量子比特不受它们影响呢？

一种解决方案是将信息分布到许多物理量子比特上——构成一个单独的“逻辑量子比特”——这样，其中一个量子比特的错误就不会破坏它们共同编码的信息。但这只有在每个逻辑量子比特所需的物理量子比特数不太多时才可行。这一纠错开销在一定程度上取决于使用何种纠错算法。

研究人员已证明可用超导量子比特和捕获离子量子比特制造纠错逻辑量子比特，但直到最近为止，人们还不清楚它是否可以用中性原子制造。2023年12月，这一情况发生了变化：哈佛大学领导的研究团队公布了由数百个被捕获的铷原子组成的阵列，并在48个逻辑量子比特上运行算法，每个逻辑量子比特由七八个物理原子组成。研究人员使用该系统进行了一个简单的逻辑操作，称为受控非门，其中一个量子比特的状态（1或0）依据第二个“控制”量子比特的状态被翻转或保持不变。为了进行计算，研究人员将原子移动于捕获室的三个不同区域之间：一个原子阵列，一个交互区（或“门区”，特定的原子被拖拽到此处，并通过里德伯阻塞进行纠缠），以及一个读出区。亚当斯说，这一切之所以变得可能，是因为“里德伯系统为你提供了调整量子比特位置、决定谁与谁互动所需的能力，这赋予了你一种超导量子比特没有的灵活性”。

哈佛大学领导的团队展示了一些针对简单的逻辑量子比特算法的纠错技术，不过，对于最大的、拥有48个逻辑量子比特的算法，他们仅实现了错误检测。汤普森指出，这些后期实验表明“它们可以优先排除带有错误的测量结果，从而识别出一个错误数较低的结果子集。”这种方法被称为后选择（post-selection），尽管它可以在量子纠错中发挥作用，但它本身并不能解决问题。

里德伯原子可能会适用于新型纠错码。萨夫曼说，哈佛研究中使用的纠错码被称为“表面码”，它“非常流行，但效率也非常低”。它往往需要许多物理量子比特才能构成一个逻辑量子比特。其他更高效的纠错码则需要量子比特之间的长程相互作用，而不仅仅是最近邻配对的相互作用。中性原子量子计算的实践者认为，长程里德伯相互作用应该能够胜任这项任务。卢金表示：“未来两到三年的实验将向我们证明，所需的纠错开销并不会像人们想象的那么糟糕，对此我极为乐观。”

尽管还有很多工作要做，但斯蒂恩认为哈佛的研究成果“在实验室环境下对纠错协议的实现度达成了一个质的飞跃”。

衍生发展

诸如此类的进展使里德伯原子量子比特与它的竞争对手不相上下。“高保真门、大量量子比特、高精度测量和灵活的连接性结合在一起，使我们能够将里德伯原子阵列视为超导量子比特和捕获离子量子比特真正的竞争对手。”斯蒂恩说。

与超导量子比特相比，里德伯原子技术的投资成本只有前者的九牛一毛。哈佛和麻省理工的合作团队成立了一家名为“量纪元”的衍生公司，该公司已经制造了一款名为“天鹰座”、包含256个量子比特的里德伯量子处理器，这是一款模拟的“量子模拟器”，可以运行多个量子粒子系统的模拟，该公司与亚马逊的左右矢量子计算平台（Braket）合作，在云端提供该处理器。量纪元还致力于推进量子纠错。

萨夫曼加入了一家名为“量子拐点”的公司，该公司正在开发中性原子光学平台，以用于量子传感器和通信以及量子计算。“如果某家大型信息技术公司在不久后与这些衍生公司之一建立某种合作关系，我不会感到惊讶的。”亚当斯说。

“使用中性原子量子比特进行可扩展的量子纠错绝对是有可能的，”汤普森说，“我认为，在几年内实现包含1万个中性原子量子比特的系统是完全可能的。”除此之外，他認为，由于激光功率和分辨率的实际限制，有必要采用模块化设计，将几个不同的原子阵列连接在一起。

“如果这成为现实，谁知道接下来还会发生什么呢？我们甚至还不知道我们能用量子计算做什么，”卢金说，“我真的希望这些新进展能够帮助我们回答这些问题。”

资料来源 Quanta Magazine

本文作者菲利普 · 鲍尔（Philip Ball）英国著名科学与科普作家、《自然》杂志顾问编辑