在构建更强大的量子处理器的过程中，基于 Atom 的架构可能比其他平台具有可扩展性优势。
由超冷原子阵列构建的量子计算机最近已成为寻求创建量子比特驱动的机器的有力竞争者，这些机器的性能可以超越经典的同类机器。虽然其他硬件架构已经产生了第一个功能齐全的量子处理器，可用于通过云进行编程，但最近的发展表明，在未来的可扩展性方面，基于原子的平台可能具有优势。
这种可扩展性优势源于光子技术的独家使用来冷却、捕获和操纵原子量子比特。中性原子量子计算机可以在很大程度上由现有的光学元件和系统构建，这些元件和系统已经针对精度和可靠性进行了优化，从而避免了对复杂低温系统的需求或芯片制造的复杂性。
“陷阱是光镊，原子由激光束控制，成像是用相机完成的，”美国普林斯顿大学的物理学家杰夫汤普森说，他的团队一直致力于构建基于镱原子阵列的量子计算机。“该平台的可扩展性仅受光学系统可以完成的工程的限制，并且整个光学元件和百万像素设备行业已经完成了大部分工作。
这种关键组件和系统的现成可用性使学术团体和商业公司能够在短短几年内将其量子处理器从数十个原子量子比特扩展到数百个。然后，在 2023 年 11 月，总部位于加利福尼亚州的初创公司 Atom Computing 宣布，它已经用近 1,200 个量子比特填充了其商业系统的改进版本——比任何硬件平台报道的量子比特都多。“能够展示我们过去几年一直在开发的解决方案令人兴奋，”Ben Bloom 说，他于 2018 年创立了该公司，现在是该公司的首席技术官。“一路走来，我们已经展示了一些第一，但在我们不断建设的同时，这个领域变得越来越令人惊叹。”
大规模原子阵列
中性原子为编码量子信息提供了许多吸引人的特性。首先，它们都是相同的——完全没有任何可能通过制造引入的缺陷——这意味着它们可以被控制和操纵，而无需调整或校准单个量子比特。它们的量子态和相互作用也得到了很好的理解和表征，而叠加和纠缠等关键的量子特性在足够长的时间尺度上得以维持，以执行计算任务。
然而，早期从中性原子构建量子计算机的尝试遇到了两个主要困难。首先是需要扩展现有的在光镊中捕获单个原子的方法，以创建大规模原子阵列。尽管空间光调制器等技术能够使用激光束来产生规则的微陷阱图案，但将原子加载到镊子中是一个随机过程，这意味着每个陷阱被占用的概率为50%。因此，创建包含大量原子的无缺陷阵列的机会变得非常小。
解决方案出现在2016年，当时位于法国光学研究所、美国哈佛大学和韩国韩国科学技术院(KAIST)的三个独立小组展示了一种称为重排的概念。在这个方案中，当原子第一次被装入镊子时，会拍摄原子的图像，以确定哪些位点被占用，哪些位点是空的。所有空的陷阱都被关闭，然后加载的陷阱被移动以填补阵列中的空白。例如，可以通过使用声光偏转器来改变捕获激光束的位置来实现这种洗牌过程，从而创建动态光学镊子，该镊子可以与实时控制相结合，在不到一秒的时间内组装出大型单个原子阵列。
“在此之前，有很多在光镊中生成单原子状态的复杂想法，”汤普森回忆道。“这种重排技术能够创建包含一百个左右没有缺陷的单个原子的大型阵列，并且此后已扩展到更高的数量。
更高保真度的纠缠态
在这些原子阵列中，量子比特被编码为两种长寿命的能量状态，这些能量状态由激光控制。例如，在铷中，由于其众所周知的原子跃迁可以相对容易地纵，因此经常使用铷，最外层的单个电子在基态中占据两个不同能级之一，这是由电子自旋和核自旋之间的耦合引起的。原子通过翻转彼此的自旋很容易在这两种能量状态之间切换，这是通过调谐到 6.8 GHz 的微波脉冲实现的。
虽然这些稳定的低能级中的原子具有出色的单量子比特特性，但构成数字计算基础的栅极操作需要量子比特相互作用并形成纠缠态。由于镊子阵列中的原子相距太远，以至于它们在保持基态时无法相互作用，因此使用聚焦激光束将最外层的电子激发到更高的能量状态。在这些高度激发的里德堡态中，原子在物理上变得更大，在亚微秒的时间尺度上产生强烈的原子间相互作用。
这些相互作用的一个重要影响是，里德堡原子的存在会改变其最近邻的能级，从而阻止它们被激发到相同的高能态。这种现象被称为里德堡封锁，这意味着只有一个被激光激发的原子会形成里德堡态，但不可能知道是哪一个。这种共享激发是纠缠的特征，为控制阵列中相邻原子之间的双量子比特操作提供了一种有效的机制。
然而，直到最近，通过双原子纠缠创建的逻辑门还容易出错。“很长一段时间以来，双量子比特操作的保真度徘徊在80%左右，远低于超导或离子阱平台所能达到的水平，”Thompson说。“这意味着中性原子在基于门的量子计算中并没有真正被认真对待。
直到 2018 年，光学研究所的 Antoine Browaeys 及其同事和哈佛大学的 Mikhail Lukin 团队的突破性工作分析了激光噪声对栅极保真度的影响，这些错误的来源才被完全理解。“人们一直在使用非常简单的激光噪声模型，”Thompson说。“通过这项工作，他们发现相位波动是导致高错误率的主要原因。
这两组研究小组一举表明，抑制激光相位噪声可以延长里德堡态的寿命，并将制备双量子比特纠缠态的保真度提高到97%。从那时起，进一步的增强产生了超过99%的双量子比特门忠实度，这是容错量子计算的最低阈值。
对容错能力的追求
这一根本性的进步将原子量子比特确立为数字量子计算的竞争平台，促进学术团体和量子初创公司探索和优化不同原子系统的性能。虽然铷仍然是一种受欢迎的选择，但一些研究小组认为，镱可以为大规模量子计算提供一些关键的好处。“镱的核自旋为一半，这意味着量子比特可以纯粹在核自旋中编码，”汤普森解释道。“虽然所有基于原子或离子的量子比特默认都具有良好的相干性，但我们发现纯核自旋量子比特可以保持几秒钟的相干时间，而无需任何特殊措施。
2022 年，汤普森的普林斯顿小组以及美国科罗拉多州博尔德市 JILA 的 Adam Kaufman 领导的团队进行了开创性实验，首次展示了镱 171 同位素产生长寿命原子量子比特的潜力。其他人也紧随其后，Atom Computing在升级后的1,200量子比特平台中用镱-171取代了其原始原型中的锶原子。“锶也支持核量子比特，但我们发现我们需要做大量的量子工程来实现较长的相干时间，”布鲁姆说。“使用镱，我们可以实现数十秒的相干时间，而无需任何额外的技巧。
镱丰富的能级结构也提供了从基态到更大范围的原子跃迁，为操纵和测量量子态提供了新的方法。例如，早期的实验表明，在量子电路运行时，可以利用这种额外的灵活性来测量一些量子比特，而不会干扰仍在用于逻辑操作的量子比特。
事实上，执行这些中间电路测量的能力是新兴方案定位和纠正系统中物理错误的关键要求，到目前为止，这些错误已经损害了量子计算机执行复杂计算的能力。这些物理错误是由干扰微妙量子态的噪声和环境因素引起的，早期的估计表明，可能需要数百万个物理量子比特来提供实现容错量子处理所需的冗余。
然而，最近已经很明显，如果物理系统可以被设计成限制错误的影响，那么可能需要更少的量子比特。一种很有前途的方法是由美国耶鲁大学的 Thompson 和 Shruti Puri 领导的团队于 2023 年底演示的擦除转换概念，其中物理噪声被转换为已知位置的错误，也称为擦除。
在他们的方案中，量子比特被编码为镱的两种亚稳态，大多数错误将导致它们衰变回基态。重要的是，这些跃迁可以很容易地被检测到，而不会干扰仍处于亚稳态的量子比特，从而可以在量子处理器仍在运行时发现故障。Thompson解释道：“我们只是在几次栅极操作后用光闪烁原子阵列，任何返回的光都会照亮错误的位置。“只要能够看到它们的位置，最终就可以将纠错所需的量子比特数量减少十倍。
普林斯顿大学研究人员的实验表明，他们的方法目前可以在单量子比特门中定位56%的错误，在双量子比特操作中定位33%的错误，然后可以丢弃这些错误以减少物理噪声的影响。该团队现在正在努力提高使用这些亚稳态进行双量子比特操作时可以实现的保真度，目前保真度为98%。
