近日，我國量子計算領(lǐng)域技術(shù)研究取得突破性進(jìn)展。相關(guān)實(shí)驗利用人工智能技術(shù)，實(shí)現了高度的并行性以及與陣列規模無(wú)關(guān)的常數時(shí)間消耗，在60毫秒內成功構建了多達2024個(gè)原子的無(wú)缺陷二維和三維原子陣列，刷新了中性原子體系無(wú)缺陷原子陣列規模的世界紀錄。

　　

 

　　數千原子無(wú)缺陷二維和三維陣列重排實(shí)驗結果圖 本文均為受訪(fǎng)者供圖

　　8月9日，這項由上海量子科學(xué)研究中心(合肥實(shí)驗室上?；?、上海人工智能實(shí)驗室、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)聯(lián)合開(kāi)展的研究成果，發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《物理評論快報》上，并被美國物理學(xué)會(huì )《物理》作為研究亮點(diǎn)專(zhuān)門(mén)報道。

　　審稿人高度評價(jià)這項研究工作，認為這一工作“標志著(zhù)原子相關(guān)量子物理領(lǐng)域在計算效率和實(shí)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(shí)用的優(yōu)勢，對于原子陣列實(shí)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賦能量子計算研究突破

　　上海人工智能實(shí)驗室青年科學(xué)家、上海創(chuàng )智學(xué)院全時(shí)導師鐘翰森是該研究的負責人之一。鐘翰森表示，AI和量子結合的研究目前來(lái)講并不多，而這項工作相當于A(yíng)I和量子結合相對早期的探索。這次探索針對的是中性原子量子計算領(lǐng)域，上海在這一領(lǐng)域已率先開(kāi)展布局。

　　因為具有優(yōu)異的擴展性、高保真度量子門(mén)、高并行性和任意的連接性，中性原子體系是極具潛力的量子計算和量子模擬平臺。該體系使用光鑷陣列囚禁中性原子，首先需要通過(guò)重排技術(shù)將初始隨機填充的原子陣列轉換成無(wú)缺陷原子陣列，在此基礎上進(jìn)行量子邏輯門(mén)操作。

　　然而，傳統的重排方法受限于隨陣列規模增長(cháng)的時(shí)間復雜度、原子丟失、計算速度等，陣列規模停留在幾百個(gè)原子的水平，難以進(jìn)一步擴展。AI的發(fā)展為研究團隊提供了新的思路，為了攻克這個(gè)難題，研究團隊創(chuàng )新性地研發(fā)AI技術(shù)，實(shí)時(shí)驅動(dòng)高速空間光調制器進(jìn)行動(dòng)態(tài)刷新，通過(guò)對光鑷陣列位置和相位的精確控制，同時(shí)移動(dòng)所有原子。

　　通俗地說(shuō)，過(guò)去技術(shù)無(wú)法自如地控制光鑷來(lái)移動(dòng)原子，只能一個(gè)個(gè)原子依次進(jìn)行。如今依賴(lài)AI算法，研究人員能夠一次性完成光鑷陣列的調控，不論多大規模的陣列都可以實(shí)現原子同步移動(dòng)。

　　

 

　　實(shí)驗裝置示意圖

　　在該工作中，研究團隊演示了二維和三維原子陣列的任意構型重排，實(shí)現了高達2024個(gè)原子的無(wú)缺陷陣列，總耗時(shí)僅為60毫秒。而隨著(zhù)原子陣列規模增大，該重排方法能夠將耗時(shí)保持不變，未來(lái)可以直接應用于數萬(wàn)原子規模的無(wú)缺陷陣列重排。目前，該系統單比特門(mén)保真度達99.97%，雙比特門(mén)保真度達99.5%，探測保真度達99.92%，已追平以美國哈佛大學(xué)為代表的國際最高水平，為構建基于中性原子陣列的容錯通用量子計算機奠定了技術(shù)基礎。

　　中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)上海研究院執行院長(cháng)、上海量子科學(xué)研究中心副主任陸朝陽(yáng)表示，這項研究借助AI找到了極為有效的方法，體現了速度快、精度高、可擴展的三大優(yōu)點(diǎn)。在他看來(lái)，這是可以寫(xiě)進(jìn)中性原子量子計算機發(fā)展史的里程碑技術(shù)突破，而這項突破“源自中國”。

　　量子研究的未來(lái)

　　2024個(gè)原子的無(wú)缺陷陣列已經(jīng)刷新世界紀錄，而對于這項重排技術(shù)來(lái)說(shuō)，2024還遠不是上限。在算力角度上，目前實(shí)現2024個(gè)原子陣列重排的，僅需兩張英偉達4090顯卡。之所以目前僅構建這一數目的陣列，很大程度上是受限于其他技術(shù)和硬件條件等。

　　如果用“木桶理論”來(lái)解釋?zhuān)敲丛雨嚵兄嘏偶夹g(shù)的突破實(shí)現了其中一塊“木板”的飛躍，而要真正把量子比特的規模擴大，還需要解決多個(gè)領(lǐng)域的問(wèn)題。目前在算法模擬環(huán)境中驗證，把2024個(gè)原子擴大到數萬(wàn)個(gè)不是問(wèn)題，而要在實(shí)際的實(shí)驗平臺上實(shí)現，下一步必須提高激光器的功率，測試更多極限性能，進(jìn)一步提升平臺能力。

　　鐘翰森表示，單項指標目前已經(jīng)取得領(lǐng)先，但從單項指標走向工程化、系統化、集成化的過(guò)程中，還有很多工作要做。領(lǐng)域內不同的研究團隊在不斷地把木桶的所有木板湊齊，只不過(guò)各自的路徑不同。

　　我們離通用量子計算機還有多遠呢?在未來(lái)3-5年的時(shí)間內，量子計算機能夠在一些狹窄的領(lǐng)域作為科學(xué)工具幫助人們開(kāi)展研究，而要實(shí)現密碼破譯等大規模應用，還需要10年左右。

　　此次的技術(shù)突破由上海和安徽合作而成，既體現了高水平的科研，又體現了“有組織的兵團作戰”?，F階段，量子計算作為重要的未來(lái)產(chǎn)業(yè)，受到上海的高度重視。去年，上海啟動(dòng)了量子計算機整機的研制，目前正在策劃量子計算未來(lái)產(chǎn)業(yè)集聚區的建設。市科委相關(guān)處室負責人表示，接下來(lái)要持之以恒支持整機研制，力爭在裝備設備領(lǐng)域突圍，尤其要培養更多量子領(lǐng)域的年輕人。