48个逻辑量子比特！容错通用量子计算迎来新突破_风闻

撰文 | 清华里想团队

2023年12月6日，哈佛大学实验组及其合作者宣布，在基于中性原子阵列的量子计算平台上，用量子纠错码编码了 48 个逻辑比特，并进行了逻辑比特之间的逻辑门操作。这一进展引发了国内外极大的兴趣和关注。本文试图通俗、准确地简述这一进展，客观、科学地评价这一工作的意义，理性、务实地分析该方向未来的前景和挑战，以供读者参考。

图1：2023年12月6日，哈佛团队在Nature上发表基于原子阵列平台的量子计算最新进展。

问：什么是原子阵列量子计算？

答：原子阵列量子计算由三个核心要素组成。

第一，利用原子内态编码量子比特。原子内态的相干时间长，可以达到数秒，该相干性已经被广泛应用于原子钟的精密计时。

第二，利用光镊束缚和操控原子。光镊可以将原子在空间上排成阵列。通过移动光镊，可以将任何两个原子移动到一起，进行门操作，可以动态地实现All-to-All的全联通性。这是原子阵列实现量子计算的一大特色。

第三，利用里德堡激发进行门操作。里德堡态是原子的高激发态，处于里德堡态的原子具有很强的相互作用，被称为“里德堡阻塞效应”。利用这一效应，可以实现两比特、甚至多比特的量子门操作。

问：原子阵列量子计算是从什么时候开始发展的？

答：2015前后，哈佛大学Lukin教授和麻省理工的Vuletic教授、哈佛大学Greiner教授建立了一个联合研究团队，并于2018年建立了QuEra公司（以下简称哈佛团队），按照上述三个要素开始设计原子阵列量子计算机。他们于2016年实现了原子阵列重排。此后，经过多年的努力，直到近两年才实现关键性突破。2022年实现了具有动态地全联通性的架构，并且该架构可以实现高度并行的量子门操作。2023年4月两比特门保真度达到99.5%，突破了量子纠错码所需要的保真度阈值。至此，实现量子纠错的技术条件已经具备。不出所料，2023年12月，该团队宣布了用量子纠错码编码了48个逻辑比特，并进行了数百个逻辑门操作。

目前，除了哈佛团队保持国际领先地位以外，国际上已有几十到上百个实验组在开展相关研究，其中普林斯顿、加州理工、法国CNRS等单位也已取得了重要的进展。

图2：哈佛团队的三位PI、QuEra公司的创建者Lukin、Vuletic和Greiner三位教授。

问：原子阵列相对于其他平台有哪些优势？

答：第一，易于扩展。磁光阱中捕获的冷原子通常可超过千万量级，每个原子天然的就是一个全同的物理比特。利用光镊技术可以在磁光阱中俘获足够多的原子作为量子比特，并对其进行可编程的单独操控。

第二，全联通性。通过光镊移动原子可以将任意两个或多个原子靠近，进行量子门操作。

第三，高度并行。通过将数十、数百个量子比特同时移动到“纠缠区域”(Entangling Zone)，一次经典操控可以同时实现大量的量子门操作。

问：最近原子阵列量子计算取得了重大突破，其重要意义是什么？

答：该工作迈出了容错通用(Fault-tolerant Universal)量子计算的关键一步。

我们现在使用的经典计算机就是“容错通用”的。“容错”，是指在计算中允许硬件层面发生一些错误，这些错误可以通过纠错码得以纠正，最后仍然可以得到准确的计算结果。“通用”，是指可以通过在计算机上运行代码，执行不同功能的任务，而不是只执行特殊定制的任务。

通过量子纠错编码，可以将多个“物理比特”编码成产生一个“逻辑比特”，其错误率将被指数压低。“逻辑比特”才是容错量子计算的基本单元。当然，逻辑比特也不是绝对没有错误的。纠错码有一个code distance的概念。一个code distance 为d的纠错码，指的是只有同时有大于等于d个物理比特发生错误时，逻辑比特才会发生错误。对于一个有效的纠错码，code distance越大，逻辑比特的错误率就越小。

这次哈佛团队宣布的实验进展，通过纠错码最多编码了48个逻辑比特，d为2；最大实现code distance为7的编码方案。同时，他们展示了随着code distance的增大，逻辑比特的错误率在降低，这说明他们实现的纠错码是有效的。此外，他们还进行了逻辑比特层面的操作。这已经远远超过了此前其他平台在容错量子计算方面所达到的水平。

问：原子阵列这一平台实现容错通用量子计算的前景如何，有哪些挑战？

答：按照目前的技术，达到几千甚至上万的物理比特，并以此为基础，产生百位数的逻辑比特，是未来几年比较有可能达到目标。届时，就可以产生一些有意义的量子计算成果。但这个目标距离实现完全的容错通用量子计算，完成有重要意义的计算任务，如破解密码，仍有相当的距离，其中主要的挑战包括：

第一，更多。将物理比特数量提升到至少百万量级的规模，需要克服光学成像系统的视场限制、激光功率的限制、光学元件耐受性等问题。

第二，更准。要进一步提高门操作的保真度，需要解决激光噪声、里德堡态的寿命、黑体辐射和原子温度等效应的影响，以及提高量子态测量的精度。

第三，更长。要保持原子阵列不间断地进行计算，需要发展模块化的实验装置，建立存储模块不断补充原子。

第四，更快。要实现更快的信息读取和量子比特的移动，需要开发新的光镊操控的硬件、光腔和原子阵列的耦合等新技术。

预计通过未来5-10年左右的发展，我们可以比较清楚，原子阵列这一平台能否有望实现真正实用化的容错通用量子计算。

问：国内这方面的进展如何？

答：目前国内包括清华大学、中科大、武汉精测院、华南师大、山西大学、华中科技大学、中物院等多家单位都已开展相关研究，但由于起步较晚，整体上还与哈佛团队存在很大的差距。虽然目前还不能确定，原子阵列平台能否最终实现有实用价值的容错通用量子计算，但基于其已展示出的潜力，我们不能等尘埃落定之后才开始追赶。过去的二十年间，国内的冷原子物理已经取得了长足的进步，在冷原子物理研究的很多方向已经处于国际领先水平。原子阵列研究属于冷原子物理的范畴，很多实验方法和其他冷原子物理实验是相通的。此前我们国家在冷原子物理方面的持续投入为我们开展原子阵列的研究打下了坚实的基础。

图3：利用里德堡阻塞并行地进行多对原子间的两比特或三比特量子门操作，使得一次经典操控可以同时驱动大量的量子门和量子操作。

文章作者为清华里想团队陈文兰、胡嘉仲、顾颖飞和翟荟。

参考文献和图片出处

[1] Bluvstein, D., Evered, S.J., Geim, A.A. et al. Logical quantum processor based on reconfigurable atom arrays. Nature (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06927-3

[2] Evered, S.J., Bluvstein, D., Kalinowski, M. et al. High-fidelity parallel entangling gates on a neutral-atom quantum computer. Nature 622, 268–272 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06481-y

[3] QuEra Computing Inc., https://www.quera.com

本文经授权转载自微信公众号“阵列前行”，原标题为《解读原子阵列量子计算新进展》。

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