Nature|加州理工学院以6100量子比特阵列创下新纪录！量子计算规模化里程碑
发布时间：2025-09-28 16:38:03 阅读数： 274
“光镊”捕获的6100个铯原子阵列
量子计算机需要大量量子比特来解决物理、化学等领域的复杂问题。与经典比特不同，量子比特可同时处于两种状态——这种现象称为叠加态。量子物理学的这一特性使量子计算机在某些复杂计算方面比经典计算机更具优势，但也意味着量子比特极其脆弱。为弥补这一缺陷，研究人员正构建配备冗余量子比特的量子计算机以纠正错误。因此，要打造稳健的量子计算机，需要数十万个量子比特。
如今，为实现这一愿景迈出关键一步，美国加州理工学院科学家在新一期《自然》杂志发表论文称，他们利用高度聚焦的激光束——“光镊”技术，控制了6100个超冷中性铯原子，构建出了迄今规模最大的量子比特阵列，此前同类阵列 仅包含数百个量子比特。
专家指出，这一突破表明中性原子量子计算机具备大规模扩展潜力，但距离实现成熟可用的量子计算机仍有很长的路要走。
量子比特是量子计算的基本单元，与传统计算机中的比特有本质区别。传统比特只能表示0或1中的一种状态，而量子比特可同时处于0和1的叠加态，借助量子纠缠实现并行计算，从而在解决特定问题上实现指数级加速。
这一里程碑的达成正值量子计算机规模化竞赛日趋白热化之际。目前，全球量子计算技术路线多样，包括超导、光量子、离子阱、半导体量子点及中性原子等。该研究采用的正是在真空中用“光镊”捕获中性原子作为量子比特的技术。
图为研究人员正在操作用于捕获 6,100 个原子的装置。
研究团队将激光束分割为12000个高度聚焦的“光镊”，在真空腔内捕获了6100个铯原子，排列成规整阵列，构建出迄今最大量子比特阵列。
该研究的一项关键成就是证明了这种更大规模的计算并没有以牺牲质量为代价。即便单个阵列包含逾6000个量子比特，团队仍能使其保持叠加态约13秒，较此前同类阵列延长近10倍，单量子比特操控精度达99.98%。大规模计算，通常被认为会以牺牲精度为代价，但该研究结果表明，两者可以同时兼顾，其实现了数量与质量的双重突破。
一个腔室，在超高真空中容纳 6,100 个激光捕获的原子。
值得一提的是，研究团队实现了在阵列中将原子移动数百微米而保持量子态稳定。这种可移动的量子比特是中性原子平台的优势之一，有助于更灵活地实现量子纠错。由于量子比特易受噪声干扰，纠错技术是规模化量子计算的关键挑战。
展望未来，研究人员计划将阵列中的量子比特置于纠缠态，使粒子产生关联并表现为整体。纠缠是量子计算机超越单纯存储叠加态信息的关键步骤——它将使计算机开始执行完整的量子计算。纠缠亦是量子计算机终极力量的源泉，这种能力能模拟自然界本身，而纠缠正是塑造物质在各个尺度上行为模式的核心机制。未来研究团队将利用纠缠解锁新的科学发现，从揭示物质的新相态到指导新型材料的设计，再到模拟支配时空的量子场。
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