在量子计算机能够解决复杂问题之前，研究人员必须开发出能够长时间管理大量量子比特(量子计算机的组成部分)的技术。中性原子在这一努力中发挥着重要作用，并且有望成为量子计算的一大潜力，因为它们为构建量子比特和实施量子操作提供了一个稳定、可控且可扩展的平台。

量子系统加速器的中性原子创新标志着量子计算的里程碑

乍一看，中性原子(一种没有净电荷、质子和电子数量相等的粒子)似乎是量子处理器的直接选择。然而，与其他类型的量子比特一样，它们容易受到环境噪声和控制缺陷的影响，从而导致量子计算机出错。

合作研究团队在开发基于中性原子的量子计算硬件和技术方面取得了重大进展，使可扩展量子计算的未来更接近现实。由劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)领导的量子系统加速器(QSA)是一个国家量子信息科学研究中心，汇集了来自 14 个机构的 250 多名专家。

QSA 附属的科学家已经开发出创新方法，用于创建稳定、可控、可扩展的平台，以构建硬件和实施量子操作。

被聚焦激光束捕获的中性原子不易受到环境干扰，因此能够更有效地处理量子信息。通过将中性原子排列成阵列，研究人员可以创建具有数十或数百个量子比特的大型量子系统，这对于执行复杂的量子模拟和开发大规模量子计算机至关重要。

首个可重构中性原子阵列的开发标志着量子计算领域的一个重要里程碑。来自哈佛大学、麻省理工学院和其他机构的研究人员展示了“光镊”的使用方法，该技术利用聚焦激光束捕获中性原子并将其定位到特定结构中。

这项创新在 2021 年发表在《自然》杂志上的一篇论文中进行了详细介绍，它允许创建可重构阵列，这对于量子计算机中量子比特的灵活设计和优化至关重要。精确控制原子位置的能力提高了量子操作的可靠性和效率，为更强大、更可扩展的量子计算机铺平了道路。

他们的量子模拟器已经能够发现物质的新量子相，并促进量子相变的详细研究。

可重构中性原子阵列再次成为 2023 年发表在《自然》杂志上的另一项由 QSA 牵头的重要研究的关键技术，研究人员在该研究中创建了精确的纠缠逻辑门，实现了保真度达到 99.5% 的两量子比特运算。保真度是衡量量子运算执行准确度的指标，对于构建和扩展可靠的量子计算机至关重要。

“基于这些研究，中性原子阵列已成为可编程量子模拟和量子信息处理的领先平台，”哈佛量子计划联合主任、该研究的资深作者米哈伊尔·卢金 (Mikhail Lukin) 表示。“在 QSA 的支持下，我们重新定义了量子信息科学的前沿。”

借鉴这两项早期研究的经验，哈佛大学和麻省理工学院的 QSA 研究小组与 QuEra Computing 合作，最近在《自然》杂志上发表了新的实验结果，展示了可重构原子阵列如何从根本上改善纠错技术，这对于可靠的量子计算至关重要。

通过更有效地解决错误，量子处理器可以以更高的精度执行更复杂的计算。这项最新研究探索了提高量子系统稳健性的创新科学方法，突破了该领域的界限。

在另一项由芝加哥大学、哈佛大学、加州理工学院和亚利桑那大学的跨学科团队进行的研究中，研究人员为一种特殊的缓解错误的代码制定了实验和理论蓝图，称为量子低密度奇偶校验(qLDPC)，可用于扩展量子算法。

在这项研究中，这些 qLDPC 码利用中性原子作为核心技术，有效地管理了错误，而这项任务通常需要数千个逻辑量子位。通过模拟原子的重新排列，研究人员可以减少开销，使系统在不需要过多资源的情况下保持高性能。

“QSA 支持的基础科学探索是这些进步的核心，”Lukin 说道。“通过 QSA，我们能够跨机构和不同专业开展合作并获取资源，从而将整个量子信息科学领域提升到新的水平。”

QSA 是美国能源部五个国家量子信息科学研究中心之一，专注于量子计算的三大技术：超导电路、离子捕获系统和中性原子。

除了共同设计和制造新的量子硬件外，QSA 团队成员还在开发软件控制系统来操作这些设备和算法，以用于重要的物理、化学、材料和生物应用。通过在量子技术的各个方面开展合作，该中心正在帮助将该领域从理论转变为现实世界的工具。