原子网格既是量子计算机又是优化求解器

量子计算进入了一个有点尴尬的时期。已经有明确的证据表明我们可以成功运行量子算法，但现有硬件的量子比特数和错误率意味着我们目前无法解决任何商业上有用的问题。因此，尽管许多公司对量子计算感兴趣并为现有硬件开发了软件(并支付了访问该硬件的费用)，但他们的努力一直集中在准备工作上。一旦计算机准备好运行软件，他们就需要开发有用软件所需的专业知识和能力。

目前，他们只能等待硬件公司生产出足够强大的机器——目前还没有明确交货日期的机器。可能是几年;可能是几十年。除了学习如何开发量子计算软件之外，与此同时与硬件没有什么明显的关系。

但是一家名为 QuEra 的公司可能已经找到了一种方法来做一些不那么明显的事情。它正在开发的技术最终可能会为量子计算提供一条途径。但在那之前，有可能在同一硬件上解决一类数学问题，并且对该硬件的任何改进都将有利于两种类型的计算。在一篇新论文中，该公司的研究人员扩展了可以在他们的机器上运行的计算类型。

保持中立

QuEra 的量子比特基于中性原子，这是一项成熟的技术，至少还有一家其他量子计算初创公司也在使用它。通常，中性原子用于通用的、基于门的量子计算机，它可以通过对量子位执行的一系列逻辑操作来执行计算。虽然这些可以执行任何计算，但有一些特定的计算可以在基于门的量子计算机上完成，而这些计算是传统计算机无法计算的。

在中性原子量子计算机的基于门的模式中，原子核的自旋被用作量子位。原子可以被激光移动并固定在适当的位置，这会在能量上有利于原子停留的地方产生陷阱。通过移动这些陷阱，可以将任意两个原子并排放置并对它们执行联合操作。通常，电子云会阻止核自旋与任何事物相互作用，从而形成非常稳定的量子比特。但是自旋可以在将原子激发到里德堡态后得到解决，其中一个电子被激发到非常高的能量，产生一个几乎不与原子结合的遥远的云。

因此，中性原子提供了基于门的量子计算所需的所有工具：长期存在的量子态、设置和读取该状态的能力，以及通过将任意两个量子位靠近放置来任意连接它们的能力。但是，与其他基于门的量子计算机一样，目前量子比特数太低，错误率太高，除了演示之外，什么都做不了。

但还有另一种操作模式，QuEra 称之为“模拟模式”。这是基于一种称为里德堡封锁的现象，这是一种量子现象，其中一个原子处于里德堡状态会降低附近任何其他原子以相同状态结束的可能性。通过控制原子之间的距离，您可以有效地创建一对原子中只有一个成员可以进入该状态的情况。

这允许一组两个(或更多)原子纠缠在量子叠加中。您可以将原子放置在只有其中一个可以进入里德伯态的距离，然后将两个原子都沐浴在足够的光线下以激发电子。他们中只有一个人可以回应，而且没有办法提前确定他们中的哪一个会回应。在您进行测量之前，两个原子处于里德伯态的可能性相同——它们处于叠加态。而且，就像在其他纠缠系统中一样，测量一个原子意味着第二个原子必须处于相反的状态。

约束上的约束

现在想象将第三个原子与其他两个原子排成一行。所有的原子都进入叠加态，但由于里德堡封锁，只有两种稳定的低能构型：最后的两个原子都处于里德堡态，或者只有中间的原子处于该态——几何给系统添加约束。改变几何形状会改变约束;如果三个原子排列成边长相等的三角形，则存在三个稳定的端态，它们的概率都相等，每个原子都有一个处于里德堡态。

添加更多原子会对系统的稳定最终状态施加额外的限制，这些状态的确切性质取决于几何结构。QuEra 的人们认识到，具有一组约束的小原子团可以被原子桥接到具有完全不同约束的另一个团簇。这留下了由两个约束的组合设置的最终状态。并且可以重复该过程，直到几何形状决定了对系统基态的大量约束。

这些约束可以表示一种称为最大权重独立集的数学问题形式。几何图形代表您想要的集合的属性，它进入的基态代表具有特定属性的集合成员。QuEra 的亚历克斯·基斯林 (Alex Keesling) 说：“我们利用 [原子] 不一定相互影响这一事实，将它们置于特定的几何形状中，这可以是一个网格，也可以是一个图形问题，你从字面上看代表原子相对于彼此的位置。”

这类问题的一个关键特征是，随着集合规模的增长，使用经典计算机找到这些最大集合变得越来越困难。另一个是所谓的NP 完全问题，这意味着可以转换任何其他 NP 完全问题，以便解决最大权重独立集问题将为其提供解决方案。这意味着在这种模式下操作 QuEra 的机器有可能解决范围广泛的数学问题。