近日，我國量子計算領(lǐng)域技術(shù)研究迎來突破性進(jìn)展。相關(guān)實驗借助人工智能技術(shù)，達(dá)成了高度的并行性，且時間消耗與陣列規(guī)模無關(guān)，保持常數(shù)。在短短60毫秒內(nèi)，成功構(gòu)建出多達(dá)2024個原子的無缺陷二維和三維原子陣列，刷新了中性原子體系無缺陷原子陣列規(guī)模的世界紀(jì)錄。

數(shù)千原子無缺陷二維和三維陣列重排實驗結(jié)果圖 本文均為受訪者供圖

8月9日，由上海量子科學(xué)研究中心（合肥實驗室上?；兀?、上海人工智能實驗室、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)聯(lián)合開展的這項研究成果，發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《物理評論快報》上，還被美國物理學(xué)會《物理》作為研究亮點專門報道。

審稿人對這項研究工作給予高度評價，認(rèn)為這一工作“標(biāo)志著原子相關(guān)量子物理領(lǐng)域在計算效率和實驗可行性方面的一次重大飛躍”，“是一種創(chuàng)新的方法，具有明確且實用的優(yōu)勢，對于原子陣列實驗這一龐大且不斷發(fā)展的研究群體將具有重要吸引力”。

AI賦能推動量子計算研究突破

上海人工智能實驗室青年科學(xué)家、上海創(chuàng)智學(xué)院全時導(dǎo)師鐘翰森是該研究的負(fù)責(zé)人之一。鐘翰森指出，當(dāng)前AI和量子結(jié)合的研究并不多，此次工作屬于AI和量子結(jié)合相對早期的探索，探索方向聚焦于中性原子量子計算領(lǐng)域，而上海已率先在這一領(lǐng)域開展布局。

中性原子體系因具有優(yōu)異的擴(kuò)展性、高保真度量子門、高并行性和任意的連接性，是極具潛力的量子計算和量子模擬平臺。該體系利用光鑷陣列囚禁中性原子，首先要通過重排技術(shù)將初始隨機(jī)填充的原子陣列轉(zhuǎn)換成無缺陷原子陣列，再在此基礎(chǔ)上進(jìn)行量子邏輯門操作。

然而，傳統(tǒng)的重排方法存在諸多局限，如時間復(fù)雜度隨陣列規(guī)模增長、原子丟失、計算速度慢等，導(dǎo)致陣列規(guī)模只能停留在幾百個原子的水平，難以進(jìn)一步擴(kuò)大。AI的發(fā)展為研究團(tuán)隊帶來了新的思路，為攻克這一難題，研究團(tuán)隊創(chuàng)新性地研發(fā)AI技術(shù)，實時驅(qū)動高速空間光調(diào)制器進(jìn)行動態(tài)刷新，通過精確控制光鑷陣列的位置和相位，實現(xiàn)所有原子的同時移動。

通俗來講，過去的技術(shù)難以靈活控制光鑷移動原子，只能逐個原子依次操作。如今依靠AI算法，研究人員能夠一次性完成光鑷陣列的調(diào)控，無論陣列規(guī)模多大，都能實現(xiàn)原子同步移動。

實驗裝置示意圖

在此次研究中，研究團(tuán)隊展示了二維和三維原子陣列的任意構(gòu)型重排，成功實現(xiàn)了高達(dá)2024個原子的無缺陷陣列，總耗時僅60毫秒。而且，隨著原子陣列規(guī)模的增大，該重排方法的耗時能保持不變，未來可直接應(yīng)用于數(shù)萬原子規(guī)模的無缺陷陣列重排。目前，該系統(tǒng)單比特門保真度達(dá)99.97%，雙比特門保真度達(dá)99.5%，探測保真度達(dá)99.92%，已追平以美國哈佛大學(xué)為代表的國際最高水平，為構(gòu)建基于中性原子陣列的容錯通用量子計算機(jī)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)上海研究院執(zhí)行院長、上海量子科學(xué)研究中心副主任陸朝陽表示，這項研究借助AI找到了極為有效的方法，具備速度快、精度高、可擴(kuò)展的三大優(yōu)點。在他看來，這是中性原子量子計算機(jī)發(fā)展史上的里程碑式技術(shù)突破，且這一突破“源自中國”。

量子研究的未來展望

2024個原子的無缺陷陣列已刷新世界紀(jì)錄，但對于這項重排技術(shù)而言，2024遠(yuǎn)非上限。從算力方面看，目前實現(xiàn)2024個原子陣列重排僅需兩張英偉達(dá)4090顯卡。當(dāng)前僅構(gòu)建這一數(shù)目的陣列，很大程度上是受其他技術(shù)和硬件條件的限制。

若用“木桶理論”來解釋，原子陣列重排技術(shù)的突破實現(xiàn)了其中一塊“木板”的飛躍，但要真正擴(kuò)大量子比特的規(guī)模，還需解決多個領(lǐng)域的問題。目前在算法模擬環(huán)境中驗證，將2024個原子擴(kuò)大到數(shù)萬個并無問題，但要在實際實驗平臺上實現(xiàn)，下一步需提高激光器的功率，測試更多極限性能，進(jìn)一步提升平臺能力。

鐘翰森表示，雖然單項指標(biāo)已取得領(lǐng)先，但從單項指標(biāo)邁向工程化、系統(tǒng)化、集成化的過程中，仍有大量工作要做。領(lǐng)域內(nèi)不同的研究團(tuán)隊都在努力補(bǔ)齊“木桶”的所有木板，只是路徑各異。

我們距離通用量子計算機(jī)還有多遠(yuǎn)呢？未來3 - 5年，量子計算機(jī)可在一些特定領(lǐng)域作為科學(xué)工具輔助研究，而要實現(xiàn)密碼破譯等大規(guī)模應(yīng)用，大約還需要10年時間。

此次技術(shù)突破由上海和安徽合作完成，既展現(xiàn)了高水平的科研實力，又體現(xiàn)了“有組織的兵團(tuán)作戰(zhàn)”。現(xiàn)階段，量子計算作為重要的未來產(chǎn)業(yè)，受到上海的高度重視。去年，上海啟動了量子計算機(jī)整機(jī)的研制，目前正在策劃量子計算未來產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)的建設(shè)。市科委相關(guān)處室負(fù)責(zé)人表示，接下來要持續(xù)支持整機(jī)研制，力爭在裝備設(shè)備領(lǐng)域取得突破，尤其要培養(yǎng)更多量子領(lǐng)域的年輕人才。

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