量子计算新突破：中性原子量子计算机崛起

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量子计算新突破：中性原子量子计算机崛起

2025/03/11

第一章什么是中性原子量子计算机？

中性原子量子计算是一种以确定性制备的单原子分辨的中性原子（如铷、铯等）作为量子比特的先进计算技术，其核心概念是通过激光操控原子内部能态（如基态、超精细能级或高激发里德伯态）编码量子信息，并利用光镊阵列将原子精确排布为二维或三维结构以实现可扩展的量子比特系统。该技术的核心优势在于可扩展性——光镊可灵活调控成百上千原子的位置，支持大规模量子比特集成；长相干时间——原子在真空环境中受外界干扰小，量子态可维持秒级时间，远长于超导等体系；以及并行操控能力——激光可同时作用于多个原子，提升运算效率。此外，通过激发原子至高能里德伯态，可利用其强长程相互作用实现快速两比特纠缠门，突破中性原子间天然弱相互作用的限制。然而，该技术仍面临多重挑战：操控精度要求极高，需复杂激光系统实现单原子寻址并抑制串扰；里德伯门的速度与保真度不足，可能导致计算错误累积；同时，量子纠错方案仍需突破，以应对退相干和操作误差对大规模计算的威胁。尽管存在技术瓶颈，中性原子体系凭借其独特的物理特性，在量子模拟、优化计算及未来通用量子处理器开发中展现出巨大潜力，成为当前量子计算领域最具竞争力的研究方向之一。

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图1 QuEra公司发布的Aquila量子计算机的磁光阱。

QuEra Computing Inc.（以下简称“QuEra”）是一家总部位于美国波士顿的量子计算公司，由哈佛大学和麻省理工学院的多位顶级物理学家创立。该公司致力于利用中性原子技术开发实用的量子计算机，旨在解决传统计算机无法处理的复杂问题，推动科学研究和商业应用的革新。

QuEra的技术基于中性原子量子比特，利用铷和锶等中性原子作为量子比特进行计算。与超导或离子阱方法相比，中性原子技术具有无需低温环境、高可扩展性和高精度操作等优势。QuEra已经开发出第一代256量子比特的量子处理器Aquila，并通过亚马逊云平台（AWS）提供量子计算服务。公司计划在未来三到五年内建造一台“有用的”全量子计算机。

QuEra在量子计算领域取得了显著的技术突破。2023年12月，QuEra与哈佛大学合作，在48个逻辑量子比特上运行复杂的纠错算法，取得了重大突破。此外，公司已经开始为技术落地铺路，持续推进多个本地部署项目，并通过云服务产生了一些收入。随着技术的不断进步，QuEra有望在量子计算领域取得更多突破，为解决复杂问题提供新的解决方案。

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图2 QuEra公司发布的256位量子比特中性原子量子计算机--Aquila。

第二章量子计算新宠儿，中性原子技术崛起

曾经，中性原子技术因误差率较高而不被看好。然而，近年来，这一领域取得了重大突破。2024年2月，QuEra公司宣布获得2.3亿美元的融资，这是量子计算领域最大的单笔投资之一。QuEra利用原子和激光编码量子比特，展示了中性原子量子计算的巨大潜力。

第三章技术突破，精度大幅提升

自2019年以来，中性原子技术在原子配置和控制方面取得了显著进展。如今，其操作精度已接近其他硬件类型。通过改进实验设计，如使用更快的激光脉冲序列和更强大稳定的激光束，中性原子量子计算的操作精度已超过纠错阈值。这使得中性原子量子计算机在处理复杂计算任务时，具备了强大的纠错能力。

第四章行业竞争加剧，中性原子技术迎头赶上

中性原子量子计算机正迅速追赶行业领先者，如IBM、IonQ和Google等。QuEra、Atom Computing、Infleqtion和Pasqal等公司，已成功构建了拥有数百个量子比特的机器，并制定了激进的扩展计划。要实现实用的量子计算，可能需要数万个量子比特协同工作。中性原子技术因其可扩展性和高效性，成为实现这一目标的有力竞争者。

第五章原子优势，构建未来量子计算机

原子系统在构建未来量子计算机方面展现出显著的优势，这些优势使其在量子计算领域备受关注。

首先，原子可以通过激光大量捕获和移动，这为构建更大规模的量子计算机提供了便利。原子的可操控性使得科学家能够精确地控制和排列原子，从而构建出复杂的量子比特阵列。这种可操控性源于原子与激光之间的相互作用，激光可以作为一种精确的工具，用于捕获和移动原子。例如，通过使用光学镊子技术，科学家可以利用激光束将原子固定在特定的位置，从而实现对原子的精确控制。这种技术使得原子可以被排列成各种不同的配置，为构建大规模量子计算机提供了可能。

其次，原子可以在多种配置中相互作用，这相比固定位置的量子比特系统，可能实现更高效的计算。原子之间的相互作用可以通过调整它们之间的距离和激光的强度来精确控制。这种灵活性使得原子系统能够实现多种不同的量子逻辑门操作，从而提高计算效率。例如，通过将两个原子靠近并用激光激发其中一个原子，可以使它们之间的电子感受到彼此的里德堡-里德堡相互作用，从而实现量子比特之间的相互作用。这种相互作用是量子计算中实现复杂计算任务的关键。

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图3 武汉物数所在国际上首次实现两个异核原子的量子纠缠。

此外，原子系统的稳定性和可扩展性也是其重要优势。原子在量子状态下可以保持较长时间，这使得量子计算过程中的信息存储和处理更加可靠。同时，原子系统的可扩展性意味着可以通过增加原子的数量来构建更大规模的量子计算机，从而处理更复杂的计算任务。

这些优势使得中性原子量子计算机在未来的量子计算领域中占据了重要的地位。随着技术的不断进步，中性原子量子计算机有望成为实现大规模、高效量子计算的重要平台。

终章挑战与展望

尽管中性原子量子计算取得了显著进展，但仍面临一些挑战，如减少原子从激光陷阱中逃逸的频率，以及降低操作过程中原子移动的需求。然而，随着技术的不断进步，中性原子量子计算有望克服这些困难，成为量子计算领域的领军技术。

中性原子量子计算机的崛起，为量子计算的未来带来了新的希望。随着更多投资和技术突破，我们期待这一领域能够实现更多突破，推动量子计算技术的发展。