量子計算的最佳量子比特可能就是原子

苦山/編譯

在為量子計算機尋找最具可擴展性的硬件的過程中，由單個原子構成的量子比特

正在迎來突破性的時刻。

2023年年底，科技巨頭IBM宣布了一個聽起來像是量子計算領域里程碑事件的消息：他們推出了有史以來第一款擁有1000多個量子比特（qubits，又稱量子位）的芯片，名為“禿鷹”。考慮到僅僅在兩年前，該公司才剛推出首款擁有100多個量子比特的芯片“鷹”，這似乎表明該領域正在飛速發展。要制造出能解決今天最強大的經典超級計算機也無法解決的有用問題的量子計算機，就需要進一步擴大它們的規模——也許量子比特數要達到數萬甚至數十萬才行。但這肯定只是一個工程問題，對吧？

不一定。擴大量子計算機規模的挑戰太過巨大，以至于一些研究人員認為，這將需要完全不同于IBM及谷歌等公司所使用的微電子硬件。“禿鷹”和谷歌的“懸鈴木”芯片中的量子比特是由超導材料環組成的。到目前為止，這些超導量子比特一直是全規模量子計算競賽中領跑的那只兔子。但現在，有一只烏龜從后面趕了上來：由單個原子構成的量子比特。

近期的進展已經令這些“中性原子量子比特”從局外者搖身一變，參與到競爭中來，并取得了領先。

美國威斯康星大學麥迪遜分校的物理學家馬克 · 薩夫曼（Mark Saffman）表示：“過去兩三年間取得了比以往任何時期更大的進展。”據他統計，至少有五家公司正在競相將中性原子量子計算商業化。

和普通計算機中的比特一樣，量子比特對二進制信息（1和0）進行編碼。但是，與比特始終處于一種或另一種狀態不同，量子比特中的信息可以是不確定的，處于一種所謂的“疊加態”，使得兩種可能性都獲得一定的權重。在進行計算時，量子比特通過一種叫作量子糾纏的現象連接起來，這使得它們各自的可能狀態相互依存。一種特定的量子算法可能需要不同的量子比特集之間產生一系列的糾纏，在計算結束時進行測量，將每個疊加態坍縮為一個確定的1或0，從而讀出答案。

21世紀初，哈佛大學的物理學家米哈伊爾 · 盧金（Mikhail Lukin）和同事提出了使用中性原子的量子態來編碼信息的這種方式，美國新墨西哥大學一個由伊萬 · 多伊奇（Ivan Deutsch）領導的小組也提出了類似的觀點。盧金說，很長一段時間以來，更廣泛的研究群體一致認為中性原子量子計算在原則上是個好主意，但在實踐中“它就是行不通”。

“但20年過去了，其他方法還沒能解決問題，”薩夫曼表示，“而實現中性原子量子計算所需的技能和技術已經逐漸發展到了似乎大有希望的地步。”

盧金在哈佛的實驗室與哈佛大學的馬庫斯 · 格萊納（Markus Greiner）團隊以及麻省理工學院的弗拉丹 · 武勒提（Vladan Vuletic）實驗室合作，一直處于領先地位。2023年12月，這些研究人員報告稱，他們已創建了具有數百個中性原子量子比特的可編程量子電路，并用它們進行了量子計算和量子糾錯。2024年3月，加州理工學院的一個研究團隊報告說，他們制造了一個包含6100個原子量子比特的陣列。這些結果正日益吸引其他人轉向這種方法。

“如果是十年前，我在對量子計算的未來進行押注時不會把這些（中性原子）方法也算進去，”牛津大學的量子信息理論家安德魯·斯蒂恩（Andrew Steane）表示，“那會是一個錯誤。”

量子比特之戰

在量子比特各類型間的競爭中，關鍵問題之一是，在被某種隨機波動（例如，熱波動）改變前，每種量子比特能夠維持其疊加態的時長。對于IBM和谷歌的超導量子比特而言，這種“相干時間”通常最多維持在一毫秒左右。量子計算的所有步驟都必須在這個時間框架內完成。

在單原子的狀態下編碼信息的優勢之一在于，它們的相干時間通常要長得多。此外，與超導電路不同，給定類型的原子都是完全相同的，因此不需要定制控制系統來輸入和操縱差別細微的量子狀態。

而且，將超導量子比特連接為量子電路的布線可能會極其復雜（隨著系統規模擴大，情況將越發如此），但原子量子比特不需要布線。所有的糾纏都是使用激光實現的。

這一優勢在最初反倒是個挑戰。英國杜倫大學的物理學家斯圖爾特 · 亞當斯（Stuart Adams）從事中性原子量子計算研究。他表示，對于復雜的微電子電路和線路，已經有了一套成熟的雕刻技術，IBM和谷歌在最初選擇投資超導量子比特，其原因之一并非在于它們顯然是最好的，而是因為它們所需的電路是這些公司做慣了的。“基于激光的原子光學對他們來說全然陌生。所有的工程都完全不同。”

由帶電原子（又稱離子）構成的量子比特也可以用光控制，而且長期以來，離子被認為是比中性原子更好的量子比特候選者。由于離子帶有電荷，它們相對容易被電場捕獲。研究人員已經創造出了離子阱：他們在超低溫下將離子懸浮在一個微小的真空腔中（以避免熱擾動），并用激光束將它們切換到不同的能量狀態，從而操縱信息。目前，擁有數十個量子比特的離子阱量子計算機已經得到了驗證和演示，幾家初創公司也正在開發這項技術以實現商業化。“到目前為止，在保真度、控制和相干性方面性能最高的系統就是由捕獲離子構成的系統。”薩夫曼說。

捕獲中性原子則更為困難，因為它們沒有電荷。對付它們需要換一種方法：原子被固定在激光束創造的強光場中，這種強光場被稱為光鑷。原子通常傾向于停在光場光強梯度最強的位置。

而且，離子有一個問題：它們所帶的電荷符號是相同的。這意味著量子比特之間會相互排斥。離子數量越多，將它們塞進同一個小空間就越困難。對于中性原子而言，則不存在這種張力。研究人員說，這使得中性原子量子比特更具可擴展性。

更重要的是，被捕獲的離子要被排列成一行（或者近來，人們將它們排成一個循環的“賽道”）。這種配置使得一個離子量子比特很難與，比如說，同一行中相距20個位置的離子量子比特產生糾纏。“離子阱本質上是一維的，”亞當斯說，“你必須將它們排成一行，因此很難想象你要如何用這種方式搞定多達1000個量子比特。”

中性原子陣列可以是二維網格，這樣更容易擴大規模。“你可以在同一個系統中放置很多量子比特，而且在你不希望它們互相作用時，它們就不會互相作用。”薩夫曼說。他的團隊和其他團隊已經以這種方式捕獲了超過1000個中性原子。“我們相信我們可以在厘米級大小的裝置中裝入數萬甚至數十萬個原子。”他說。

事實上，加州理工學院的團隊在最近的工作中創造了一個包含大約6100個中性銫原子的光鑷陣列，不過，他們還沒有用它們進行任何量子計算。這些量子比特的相干時間達到了驚人的12.6秒，這是迄今為止這種類型的量子比特所擁有的最高紀錄。

里德伯阻塞

要讓兩個或更多的量子比特相互糾纏，它們需要相互作用。中性原子通過所謂的范德華力“感受”到彼此的存在，范德華力源于一個原子對附近另一個原子的電子云波動的反應。但這些微弱的力量只有在原子非常接近彼此時才能感受到。利用光場操縱普通原子到所需的精度就是不可能的。

正如盧金和同事在2000年的最初提案中指出的那樣，如果我們增加原子本身的大小，相互作用的距離可以顯著增加。電子的能量越高，就越容易遠離原子核。如果使用激光將一個電子的能態激發到遠大于原子中電子通常能態的水平，那么電子遠離原子核的距離可以達到通常情況下的數千倍——這種能態被稱為里德伯態，以瑞典物理學家約翰內斯 · 里德伯（Johannes Rydberg）的姓氏命名，里德伯在19世紀80年代研究了原子如何以離散波長發光。

這種尺寸上的增加使得相距幾微米的兩個原子能夠相互作用，而使原子相距幾微米在光阱中是完全可行的。

為了實現量子算法，研究人員首先在一對原子能級中編碼量子信息，利用激光在能級之間切換電子。然后，他們通過開啟原子之間的里德伯相互作用來糾纏原子狀態。一個給定的原子是否會被激發到里德伯態，取決于它的電子處于兩個能級中的哪一個——只有其中一個能級的能量能與激發激光的頻率產生共振。如果原子當前正在與另一個原子相互作用，那么這個激發頻率就會發生輕微偏移，這樣電子就不會與光共振，也就無法完成躍遷。這意味著，在任何時刻，一對相互作用的原子中只有一個原子能維持里德伯態。它們的量子態是相關的，換句話說，是糾纏的。2001年，盧金和同事首次提出了這種所謂的“里德伯阻塞”，稱它是一種糾纏里德伯原子量子比特的方法，是一種“全有或全無”的效應：要么有里德伯阻塞，要么沒有。“里德伯阻塞使原子間的相互作用數字化了。”盧金說。

在計算結束時，激光讀取原子的狀態：如果原子處于與光照共振的狀態，光會被散射，但如果它處于另一狀態，則不會出現散射。

2004年，美國康涅狄格大學的一個研究團隊展示了在絕對零度以上僅100微開的條件下被捕獲和冷卻的銣原子之間的里德伯阻塞。他們使用激光“吸出”原子的熱能來冷卻原子。這種方法意味著，與超導量子比特不同，中性原子不需要低溫冷卻，也不需要麻煩的制冷劑。因此，這些系統可以做得非常緊湊。“整個裝置處于室溫之下，”薩夫曼說，“僅僅距離這些超冷原子一厘米的位置，就有一扇處于室溫的窗。”

2010年，薩夫曼和他的同事報告了首個利用里德伯阻塞、由兩個原子制成的邏輯門——邏輯門是計算機的基本組件之一，一個或多個二進制輸入信號通過邏輯門，并生成一個特定的二進制輸出。隨后，至關重要的是，在2016年，盧金的團隊以及法國和韓國的研究小組都各自找到了將多個中性原子裝載入光阱陣列并隨意移動它們的方法。“這項創新給這個領域注入了新的生命。”斯特凡 · 杜爾（Stephan Dürr）表示。他來自位于德國加興的馬克斯·普朗克量子光學研究所，使用里德伯原子進行基于光的量子信息處理實驗。

到目前為止，大部分研究成果都使用了銣和銫原子，但是普林斯頓大學的物理學家杰夫 · 湯普森（Jeff Thompson）更喜歡在諸如鍶和鐿這樣的金屬原子的核自旋態中編碼信息，這些原子具有更長的相干時間。2023年10月，湯普森和同事報告了由這些系統制成的兩個量子比特大小的邏輯門。

里德伯阻塞也不一定要發生在孤立的原子之間。2023年夏天，亞當斯和他的同事們證明，他們能在一個原子和一個被捕獲的分子之間制造里德伯阻塞——他們使用光鑷將一個銫原子拉到一個銣原子旁邊，人為地制造出了這種阻塞。原子-分子混合系統的優勢在于，原子和分子具有截然不同的能量，這使得在不影響其中一方的情況下操縱另一方變得更加容易。此外，分子量子比特可以擁有非常長的相干時間。亞當斯強調，這種混合系統的研究進度至少比全原子系統落后10年，并且兩個此類量子比特的糾纏尚未實現。“混合系統真的很難，”湯普森說，“但我們可能會在某個時刻不得不用上它們。”

高保真量子比特

沒有完美的量子比特：所有量子比特都可能出錯。如果不對這些錯誤做檢測和修正，它們就會擾亂計算結果。

但是，所有量子計算都存在一大障礙，那就是無法像經典計算機那樣識別和糾正錯誤，因為經典計算機的糾錯算法只是通過復制來追蹤比特的狀態。量子計算的關鍵在于，在讀出最終結果之前，量子比特的狀態是不確定的。如果你試圖在此之前測量這些狀態，就會終止計算。那么，對于這些我們甚至無法檢測到的錯誤，如何確保量子比特不受它們影響呢？

一種解決方案是將信息分布到許多物理量子比特上——構成一個單獨的“邏輯量子比特”——這樣，其中一個量子比特的錯誤就不會破壞它們共同編碼的信息。但這只有在每個邏輯量子比特所需的物理量子比特數不太多時才可行。這一糾錯開銷在一定程度上取決于使用何種糾錯算法。

研究人員已證明可用超導量子比特和捕獲離子量子比特制造糾錯邏輯量子比特，但直到最近為止，人們還不清楚它是否可以用中性原子制造。2023年12月，這一情況發生了變化：哈佛大學領導的研究團隊公布了由數百個被捕獲的銣原子組成的陣列，并在48個邏輯量子比特上運行算法，每個邏輯量子比特由七八個物理原子組成。研究人員使用該系統進行了一個簡單的邏輯操作，稱為受控非門，其中一個量子比特的狀態（1或0）依據第二個“控制”量子比特的狀態被翻轉或保持不變。為了進行計算，研究人員將原子移動于捕獲室的三個不同區域之間：一個原子陣列，一個交互區（或“門區”，特定的原子被拖拽到此處，并通過里德伯阻塞進行糾纏），以及一個讀出區。亞當斯說，這一切之所以變得可能，是因為“里德伯系統為你提供了調整量子比特位置、決定誰與誰互動所需的能力，這賦予了你一種超導量子比特沒有的靈活性”。

哈佛大學領導的團隊展示了一些針對簡單的邏輯量子比特算法的糾錯技術，不過，對于最大的、擁有48個邏輯量子比特的算法，他們僅實現了錯誤檢測。湯普森指出，這些后期實驗表明“它們可以優先排除帶有錯誤的測量結果，從而識別出一個錯誤數較低的結果子集。”這種方法被稱為后選擇（post-selection），盡管它可以在量子糾錯中發揮作用，但它本身并不能解決問題。

里德伯原子可能會適用于新型糾錯碼。薩夫曼說，哈佛研究中使用的糾錯碼被稱為“表面碼”，它“非常流行，但效率也非常低”。它往往需要許多物理量子比特才能構成一個邏輯量子比特。其他更高效的糾錯碼則需要量子比特之間的長程相互作用，而不僅僅是最近鄰配對的相互作用。中性原子量子計算的實踐者認為，長程里德伯相互作用應該能夠勝任這項任務。盧金表示：“未來兩到三年的實驗將向我們證明，所需的糾錯開銷并不會像人們想象的那么糟糕，對此我極為樂觀。”

盡管還有很多工作要做，但斯蒂恩認為哈佛的研究成果“在實驗室環境下對糾錯協議的實現度達成了一個質的飛躍”。

衍生發展

諸如此類的進展使里德伯原子量子比特與它的競爭對手不相上下。“高保真門、大量量子比特、高精度測量和靈活的連接性結合在一起，使我們能夠將里德伯原子陣列視為超導量子比特和捕獲離子量子比特真正的競爭對手。”斯蒂恩說。

與超導量子比特相比，里德伯原子技術的投資成本只有前者的九牛一毛。哈佛和麻省理工的合作團隊成立了一家名為“量紀元”的衍生公司，該公司已經制造了一款名為“天鷹座”、包含256個量子比特的里德伯量子處理器，這是一款模擬的“量子模擬器”，可以運行多個量子粒子系統的模擬，該公司與亞馬遜的左右矢量子計算平臺（Braket）合作，在云端提供該處理器。量紀元還致力于推進量子糾錯。

薩夫曼加入了一家名為“量子拐點”的公司，該公司正在開發中性原子光學平臺，以用于量子傳感器和通信以及量子計算。“如果某家大型信息技術公司在不久后與這些衍生公司之一建立某種合作關系，我不會感到驚訝的。”亞當斯說。

“使用中性原子量子比特進行可擴展的量子糾錯絕對是有可能的，”湯普森說，“我認為，在幾年內實現包含1萬個中性原子量子比特的系統是完全可能的。”除此之外，他認為，由于激光功率和分辨率的實際限制，有必要采用模塊化設計，將幾個不同的原子陣列連接在一起。

“如果這成為現實，誰知道接下來還會發生什么呢？我們甚至還不知道我們能用量子計算做什么，”盧金說，“我真的希望這些新進展能夠幫助我們回答這些問題。”

資料來源 Quanta Magazine

本文作者菲利普 · 鮑爾（Philip Ball）英國著名科學與科普作家、《自然》雜志顧問編輯