加州理工學院的物理學家開發了迄今為止最大的中性原子量子計算機，其單一陣列中捕獲了6100個銫原子作為量子位元。這項成果於週四發表在《自然》雜誌上，與先前僅包含數百個量子位元的陣列相比，性能有了顯著提升。
研究人員將他們的系統從過去實驗中典型的數百個量子位元擴展到 6,000 多個，同時保持了實用機器所需水平的穩定性和精度。
該團隊表示，它實現了約 13 秒的相干時間——比過去的實驗長近 10 倍——同時以 99.98% 的準確率執行單量子位元操作。
量子位元（qubit）是量子電腦中資訊的基本單位。與經典位元（可以是 0 或 1）不同，量子位元可以同時處於兩種狀態的疊加態，從而能夠並行執行多項計算。挑戰在於如何保持這種微妙的狀態足夠長時間的穩定，以完成計算。
這種穩定性被稱為“相干性”，它不斷受到雜訊、熱或雜散電磁場的威脅。量子位元保持相干性的時間越長，量子處理器在出現錯誤之前能夠執行的操作就越複雜、越可靠。
加州理工學院物理學教授、該計畫首席研究員曼努埃爾·恩德雷斯（Manuel Endres）在一份聲明中表示：“對於中性原子量子計算來說，這是一個激動人心的時刻。我們現在可以看到一條通往大型糾錯量子計算機的道路。基礎模組已經到位。”
然而，據參與該計畫的加州理工學院研究生 Elie Bataille 稱，時間只是量子過程中的一個因素。
Bataille 告訴Decrypt： “你需要的是與操作持續時間相比非常長的相干時間。如果你的操作時間為一微秒，並且相干時間為一秒，那麼這意味著你可以進行大約一百萬次操作。”
研究人員使用「光鑷」（一種高度聚焦的光束）來抓取和定位單個原子。透過將一束雷射分成12000個這樣的微型光阱，他們能夠在真空室內穩定地容納6100個原子。
「如果你使用合適波長的激光，你就能讓光吸引ATOM，從而形成一個陷阱，」巴塔耶說。 “如果你將光束限制在一個非常小的DOT上，大約一微米，你就能吸引並捕獲許多原子。”
研究團隊證明，他們可以在陣列內移動原子，而不會破壞其脆弱的量子態，也就是疊加態。這種在保持量子位元穩定的情況下移動量子位元的能力，將使未來量子電腦更容易糾錯。
中性原子量子系統正日益受到關注，成為超導電路和離子阱平台的有力競爭對手。其獨特優勢之一是物理可重構性：原子可以在計算過程中利用移動光阱進行重新排列，從而提供剛性硬體拓撲難以匹敵的動態連接。迄今為止，大多數中性ATOM陣列僅包含數百個量子位元，而加州理工學院的6100量子位元里程碑則向前邁出了重要一步。
隨著全球各地的公司和實驗室紛紛擴大量子電腦的規模，這項成果也隨之而來。 IBM 承諾到 2033 年將推出一台10 萬量子位元的超導計算機，而IonQ和QuEra等公司正在開發離子阱和中性原子方法。總部位於科羅拉多州的Quantinuum 公司的目標是到 2029 年推出一台完全容錯的量子電腦。
下一個里程碑是展示大規模糾錯，這需要從數千個實體量子位元中編碼出邏輯量子位元。這對於量子電腦解決化學、材料等領域的實際問題至關重要。
“傳統計算機每 10 到 17 次運算就會出錯一次，”巴塔耶說，“量子計算機的精度遠不及這個水平，我們也不指望僅靠硬體就能達到這個水平。”
加州理工學院的研究小組計劃透過糾纏來連接量子比特，這是運行全面量子計算的必要步驟。
雖然加州理工學院的 6,100 量子位元陣列尚未提供實用的量子計算機，但透過在一個系統中結合規模、準確性和相干性，它設定了新的基準並加強了中性原子作為量子計算領先平台的地位。
