由伊曼纽尔·布洛赫 (Immanuel Bloch) 量子多体系统部门研究组组长兼 MPQ 衍生公司 planqc 联合创始人约翰内斯·蔡赫 (Johannes Zeiher) 领导的物理学家团队在使用中性原子扩展量子计算平台方面取得了重大进展。

量子寄存器连续运行可达1200个中性原子

在马克斯·普朗克量子光学研究所与 PlanQC 合作进行的一项实验中，研究人员成功地在激光光学晶格中设置了一个包含 1,200 个原子的寄存器，并使其连续运行一小时。到目前为止，由于不可避免的原子损失，这种规模的装置很难维持。

物理学家们使用一种复杂的技术解决了这个问题，这种技术允许他们连续地将新原子重新加载到量子比特寄存器中，并且原则上可以无限期地操作它。

如今，我们知道使用传统计算机计算量子系统有多么困难。这是因为量子力学系统随着规模的扩大而变得越来越复杂。即使精确计算 100 个量子粒子的行为也超出了大多数现代超级计算机的能力。

同时，对复杂量子系统的基本理解对于预测某些材料或生物分子的性质至关重要。因此，20 世纪 80 年代初，物理学家、诺贝尔奖获得者理查德·费曼 (Richard Feynman) 提出使用量子模拟器和计算机来计算复杂的量子力学现象，而不是使用经典计算机，因为它们遵循与要计算的系统相同的定律，从而绕过了经典计算机的局限性。

量子模拟器主要适用于非常具体的、针对特定平台的问题，例如固体物理学，而量子计算机则具有更普遍的适用性。不过，它们需要更大的努力和控制。

它们基于单独的、相互连接的、完全可编程的存储单元(称为量子位)，这些单元能够使用它们之间的量子门执行定义的算法。量子计算机的这种多功能性和处理能力的巨大潜力开辟了新的科学和技术可能性，例如，在新材料的根本理解和开发方面，或在分子结构的量子化学计算领域。

然而，研究这项有前途的技术面临的一个主要障碍是将量子计算机和模拟器扩展到大量量子比特，同时保持对各个成分的必要控制。目前有几种方法相互竞争以应对这一挑战。其中一种是基于中性原子的。

此类原子量子计算机和量子模拟器在很大程度上依赖于稳定且可扩展的原子排列，这些排列构成了计算所需的寄存器。原子被光镊(紧密聚焦的激光束)或光学晶格(由干涉激光束形成的极其精确的周期性阵列)单独捕获。

被困在这种镊子或晶格中的每个原子都可以充当量子比特。然而，寄存器越大，丢失或加热的原子就越多，从而使系统随着时间的推移更容易出现有害错误。在当今的系统中，整个原子寄存器需要定期补充，这严重限制了系统可以达到的大小。

Zeiher 和他的团队现在已经成功地将一种重载区集成到他们的实验装置中，该装置使用碱土原子锶进行操作。每 3.5 秒，大约有 130 个原子被添加到寄存器中。

“这种实时替换丢失原子的技术是量子技术实际应用的重要一步，因为只有通过系统不间断、更持久的运行，才能实现大规模的量子计算、模拟和测量。”实验负责人 Zeiher 说。

这项实验的下一步涉及控制原子的电子状态，例如使用光镊，以便寄存器中的每个原子都成为保存量子信息的量子位。然后，在阵列中相邻原子之间添加受控相互作用，从而产生量子纠缠——这是任何量子计算的基础。

“我们已经开始研究将新技术与不间断量子计算相结合的概念。在重新加载步骤中保持量子位的一致性对于释放量子计算和量子模拟的巨大潜力至关重要。

“我们很高兴能够将零碎的信息整合在一起，共同实现这一目标，”该论文的第一作者 Flavien Gyger 博士补充道，该论文现已发表在《物理评论研究》上。

“要执行具有行业影响的量子算法，我们需要数千个量子比特，并且需要让它们运行数小时以运行纠错协议。我们的研究结果可以为持续维护如此大的阵列以探索近期应用铺平道路。”planqc 首席量子工程师、论文合著者 Stepan Snigirev 表示。