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　　量子估计提出到此日有40众年了，为寻找最适合量子估计的量子比特，人们找遍了各式量子物理体例：离子阱、单光子、中性原子阵列、量子点、超导电道、金刚石色心……近来几年，跟着量子估计优异性获得实践演示，量子纠错超越盈亏均衡点、告终容错量子估计成为实践室中攻合的要点，适用量子估计机曙光初现。

　　正在统统这些物理体例中，中性原子阵列量子估计机（以下简称中性原子量子估计）近来几年发展神速。2023年12月，美邦哈佛大学Lukin组初次用中性原子量子估计揭示了量子纠错，基于128个原子告终了48个逻辑量子比特，并对逻辑量子比特施加了量子门操作，激发通俗眷注。恰是因为这个记号性的实践，中性原子阵列被以为是实实际用量子估计最有生气的候选者之一。眷注中性原子量子估计的人越来越众，借助这篇随笔，笔者扼要先容一下这个讨论倾向。

　　与超导等其他量子估计门道比拟，中性原子量子估计最越过的特征（上风）如下：

　　1.周围最大，已告终胜过6000个原子量子比特的阵列和操控，且周围还正在急速扩展中，估计量子比特数很疾能打破10000量级。目前超导电道与离子阱体例量子估计机包括的量子比特数辞别为1000和100量级。

　　2.诈骗偶极互相影响和对原子阵列的转移，可告终非紧邻且并行的高保真襟怀子门，特地适合量子算法的高效编译与容错量子估计的告终。

　　范例的中性原子量子估计机如图一所示，中性原子先被装载到光镊中造成完整陷的阵列（Zone2），然后转移原子到互相影响区（Zone1），通过激光操控原子的间距和内态到里德堡态南宫，告终原子间的把握Z门、量子缠绕，以至肆意量子算法。

　　中性原子量子估计的起色最早可追溯到本世纪初，除了前文提到的M.Lukin，另有一位M.Greiner。兴趣的是，他二人也辞别代外了中兴原子量子估计起色道道上的两项要紧身手。而他们其后的协作，也最终将中性原子量子估计推上了从科研向操纵起色的疾车道。

　　2000年，Jaksch与Lukin等人协作 把原子囚禁正在光阱阵列中并勉励到里德堡态【注1】，诈骗其偶极互相影响能够告终通用量子逻辑门以至量子估计。

　　2001年，M. Lukin人提出的把一团里德堡原子囚禁正在光阱中，从而界说量子比特以及告终通用量子逻辑门的身手门道年，德邦马普所 的M. Greiner等人正在基于光晶格的冷原子量子模仿身手方面赢得的打破性转机。

　　2009年，M．Greiner发现晰 ，能够探测到光晶格中的单个原子。冷原子显微镜身手为中性原子阵列量子估计扫平了最大的窒息。

　　2016年，Lukin与Greiner告成会师。他们协作告终初次告终了一维完整陷原子阵列实践。

　　如图一所示，他们先搭修了100个光镊的一维阵列，并把被激光冷却的原子团加载正在这个光镊阵列上，大约有一半的光镊中装载原子。然后他们诈骗冷原子显微镜身手给这个光镊阵列照相，识别出哪些光镊中有原子。通过对荧光计数举行统计阐述，也能够确认每个光镊中最众只要一个原子。然后调控那些盘踞了原子的光镊处所，可正在1秒内告终胜过50个中性原子的 。

　　与此同时，法邦邦度科学讨论核心的Antoine Browaeys教养组也独立告终了完整陷的 。不光如许，他们还能告终对原子阵列的肆意排布，构成肆意的二维图样，如图三所示。

　　自此之后，中性原子阵列量子估计与量子模仿身手起色步入疾车道。2017年Lukin组告终了51个里德堡原子阵列Ising型量子众体自旋模子。

　　2021年，Lukin组和Browaeys组各自独立的告终了包括数百个里德堡原子阵列的量子模仿器，告终了包括两百个原子的反铁磁相相变。接下来，Lukin组又 告终 了，并制备了图态、外面码量子态等。这注明此体例不光能行为可编程的量子模仿器，还能告终大周围通用容错量子估计。

　　▲ 图四 诈骗中性原子阵列量子模仿器解最大割题目算法示希图，摘自Science 376, 1209 (2022)

　　从2022年初步，中性原子量子估计初步了操纵上的追求。2022年头，Lukin组公告 论文 ，基于众达289个里德堡原子阵列告终 ，可高效处分最大独立齐集题目，这是一个NP-hard的优化题目。他们通过外面阐述以为此修造的估计速率能够产一生方加快。正在实践中，通过与经典算法对比，关于那些最难的题目来说，他们以为仍然发生了量子加快上风。

　　谷歌超导量子估计机“悬铃木”推出的统一年，2019年，Lukin和Greiner等人倡导创办创业公司 ，2021年拿到1700万美金的危机投资。2023年，QuEra更是得回胜过3000万美元的风投。

　　法邦Browaey教养也正在2019年成立了 ，推动里德堡原子阵列身手财产化，仍然得回上亿欧元的风投。

　　2022年1月，Nature杂志选出了7项 ，基于里德堡原子阵列的量子模仿身手名列此中。

　　中邦科学家们也参预了这个讨论范畴的财产化。2020年，中科院周到衡量科学与身手立异讨论院詹明生讨论团队成立了 ，先后得回数万万黎民币风投，前不久公布了胜过100个量子比特的中性原子量子估计机。

　　中性原子量子估计体例也存正在极少身手寻事亟待降服。起首是体例安宁性题目。衡量时要依赖原子荧光，弗成避免的会对原子反冲加热。因为光镊势阱深度相对较浅，有大概会把原子踢出去。告终量子算法时需求把原子打到里德堡态，也会影响光镊的安宁性。其次是量子门的速率题目：比拟超导电道体例，中性原子量子估计的量子门速率要慢几个数目级。最终是衡量和初始化速率题目，衡量与初始化的特色功夫也比超导电道慢几个数目级。这些题目归纳起来，极大地限定了中性原子量子估计的速率。要处分这些题目，需求应用功率更大、频率更窄，安宁性更高的激光器，其次光道的锁相和锁频身手也需求起色到极限。

　　▲ 图七 QuEra公司公布的中性原子量子估计门道个物理量子比特）的量子估计机，并正在逻辑量子比特上告终容错的横向量子门，横向量子门不会导致缺点正在量子电道中传布，容易纠错。

　　2025年：推出有30个逻辑纠错量子比特和魔态蒸馏的巩固型量子估计机，此中包括3000众个物理量子比特。承诺履行非克利福德门，这关于告终通用量子估计至合要紧。

　　2026年：推出具有100个逻辑量子比特和胜过10000个物理量子比特的量子估计机，从而告终深度逻辑量子电道，饱励量子估计超越经典模仿的极限。

　　这个计划环环相扣，不光把逻辑量子比特数目推动到100的量级，告终对量子新闻的爱戴，还将基于逻辑量子比特告终容错量子门，从而告终深度容错量子电道，将使估计牢靠性与量子比特数目两方面同时跃进，记号着大周围深度容错量子估计时间的到来。

　　这个三年计划再现了QuEra公司实实际用可容错量子估计的野心和信念。这个极具前景的行业吸引了不少身手人才和科研团队入场。笔者有位师弟曾正在Lukin组做博后，2019年参预了QuEra公司担负量子算法外面。前几年我带过的一位本科生，2023年从瑞士ETH硕士卒业后转去了德邦马普所Bloch组念博士，做的倾向也是中性原子量子模仿与量子估计。

　　正在2024年CCF量子估计大会上，中性原子量子估计也是绝对的明星身手门道，邦内仍然有许众实践组初步测验这个倾向，生气收拢基于该身手容错量子估计的史籍机会。中邦科学身手大学陆朝阳教养正在大会申报中流露，他们实践室仍然告终了胜过2000个原子的量子估计机。笔者等候三年后，中邦科学家正在中性原子量子估计中也能步入天下最优秀的秤谌。

　　注1：所谓里德堡态，指被勉励到轨道数n=50-100的高勉励态原子，此时原子能级寿命达10微秒量级，原子轨道半径正在微米量级，可告终隔绝微米量级中性原子之间的量子门。

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