算力限制是科学技术发展面临的最大挑战之一，没有足够的算力就无法有效进行大规模数据处理和复杂算法运算。量子计算机被视为破解算力瓶颈的“终极武器”，其有能力在瞬间破解传统计算机需数千年才能完成的难题。
正因如此，世界各国围绕量子计算原型机的研制展开激烈角逐。在并行推进的超导、离子阱、光量子等多种技术路线中，中性原子量子体系因具有高扩展性、高保真度、高并行性等优势，在过去十年中迅速脱颖而出，成为极具潜力的量子计算和量子模拟平台。但受困于技术，中性原子阵列的规模始终止步于数百个原子，如何将其扩充至数千甚至数万个原子规模，成为通往通用量子计算机道路上首先要解决的问题。
近日，由上海量子科学研究中心（合肥实验室上海研究基地）、上海人工智能实验室、中国科学技术大学等单位研究人员组成的联合团队，通过人工智能（AI）和量子计算的跨界融合，成功构建了世界规模最大的无缺陷二维和三维原子阵列，以2024个原子规模刷新了该领域的世界纪录。相关论文日前发表于国际期刊《物理评论快报》。
原子阵列面临规模化瓶颈
可扩展的量子比特系统是实现量子计算和量子模拟的基石，量子比特越多，计算能力越强。对于超导与光量子等其他体系结构来说，要将量子计算机从数百个量子比特扩展到数百万个量子比特，空间是一个很大的挑战。但对于中性原子体系来说，这在理论上并不是一个问题。
因为中性原子量子计算机以原子作为量子计算机的基本单元——量子比特，一个毫米级阵列就可以容纳多达100万个量子比特。但最终实现量子计算的前提之一是这个原子阵列是无缺陷的。
实际情况是，初始的原子阵列通常都带有随机缺陷——总有些原子在阵列中“缺席”或“站错队”，需要用光镊将它们重新排布。所谓光镊，就是用一束很强的激光在原子阵列里构筑“陷阱”，当原子进入“陷阱”，光束就会聚焦，如镊子一样将其夹住，然后再将这些原子逐个移动到它们应该待的位置。
但在实际操作中，这种方式可行性不高。
首先，用光镊捕获原子的成功率只有50%—60%；其次，这种传统的修复缺陷方式速度很慢，特别是随着原子阵列规模扩大，修复时间会呈线性增长，很容易出现“一边补、一边丢”的现象，以至于脆弱的原子阵列最终因“等不起”而失效。这也是长期以来导致中性原子阵列的规模止步于数百个原子的主要原因。
AI助力实现“从0到1”突破
那么，有没有可能同步移动所有原子？
针对这个想法，研究团队创新设计了一个AI模型，它能够快速生成驱动高速空间光调制器（SLM）的全息图，进而形成光镊阵列，并精确控制每个光镊位置和相位。这相当于同时操控成千上万只“镊子”，将所有原子瞬间重新摆放到位。
研究团队演示了二维和三维原子阵列的任意构型重排，实现了高达2024个原子的无缺陷阵列，总耗时仅为60毫秒。值得一提的是，在原理上，即便原子阵列规模增大，该重排方法耗时也将始终保持不变。换句话说，不管构建的阵列是100个还是100万个原子，重排耗时都一样，因此未来其可直接应用于数万原子规模的无缺陷阵列重排。这也标志着中性原子量子计算迈向“万原子时代”。
这彻底解决了原子阵列的修复难题，使中国在量子计算机的一项关键技术上成功“卡位”。“这一成果是目前‘AI+量子’研究最具代表性的案例。”中国科学技术大学上海研究院执行院长、上海量子科学研究中心副主任陆朝阳表示，未来随着量子计算中性原子路线的发展，这个源自中国的“从0到1”突破必将成为量子计算发展史上的一个关键节点。
此外，AI介入的无缺陷原子阵列重排方式还实现了极高的系统精度指标。上海人工智能实验室青年科学家、上海创智学院全时导师钟翰森介绍，目前，该系统单比特门保真度达99.97%，双比特门保真度达99.5%，探测保真度达99.92%，已追平以美国哈佛大学为代表的国际最高水平，为进一步构建基于中性原子阵列的容错通用量子计算机奠定了技术基础。
研究成果的发布，迅速引起国际同行关注，很多团队开始跟进相关研究。《物理评论快报》评价这一成果是“原子相关量子物理领域在计算效率和实验可行性方面的一次重大飞跃”。美国物理学会主办的刊物《物理》也将该成果作为研究亮点专门报道。
全要素全链条布局量子产业
量子计算机遵循量子力学规律，能够在化学催化、材料合成、药物研发、金融交易等领域提供远超传统计算机的算力。目前，量子计算机处于量子比特制备和系统集成拓展阶段，有望走向实用化前期。
面对这一重要的未来产业，上海正积极营造和完善创新生态，加大顶尖人才培育力度，吸引各地优秀团队来沪发展，促成“高水平集团作战”的科研合作模式。这些举措正在产生实实在在的成效，此次的重磅成果就是一项具有说服力的例证。“对于这次的成果，我最大的感受是要找到优秀的跨界人才。”上海市科委相关处室负责人表示。
此次成果也证明，尽管研究团队是从2020年底才开始中性原子量子计算机的相关研究，但有希望追赶甚至反超国际领先团队。不仅如此，上海还有其他科研团队正循着中性原子技术路线，研制量子计算原型机，并且已取得阶段性成果。
据悉，上海已于去年组建量子计算项目经理团队，形成未来产业培育方案，正在进行全要素和全链条布局，包括整机、仪器设备、算法软件、人才、应用场景和投资基金等。当前，上海还策划打造量子计算未来产业集聚区，以进一步集聚顶尖人才、独角兽企业、高质量孵化器等资源，持续提高创新浓度，加速产业培育与落地。
“我们希望通过中性原子量子计算机的整机研制和关键技术的攻关，在上海乃至长三角形成一个量子计算技术攻关和产业化高地。”上海市科委相关处室负责人说。
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