我國構(gòu)建國際最大規(guī)模原子量子計算系統(tǒng)

近日，中國科學技術(shù)大學潘建偉、陸朝陽教授等與上海量子科學研究中心/上海人工智能實驗室鐘翰森研究員等同事合作，利用人工智能技術(shù)，實現(xiàn)了高度的并行性以及與陣列規(guī)模無關(guān)的常數(shù)時間消耗，在60毫秒內(nèi)成功構(gòu)建了多達2024個原子的無缺陷二維和三維原子陣列，刷新了中性原子體系無缺陷原子陣列規(guī)模的世界紀錄。該方法為大規(guī)模中性原子量子計算奠定了關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)。相關(guān)研究成果日前在國際學術(shù)期刊《物理評論快報》上發(fā)表。

中性原子體系因優(yōu)異的擴展性、高保真度量子門、高并行性和任意的連接性，成為極具潛力的量子計算和量子模擬平臺。該體系使用光鑷陣列囚禁中性原子，首先需要通過重排技術(shù)將初始隨機填充的原子陣列轉(zhuǎn)換成無缺陷原子陣列，在此基礎(chǔ)上進行量子邏輯門操作。傳統(tǒng)的重排方法受限于隨陣列規(guī)模增長的時間復(fù)雜度、原子丟失、計算速度等，陣列規(guī)模停留在幾百個原子的水平，難以進一步擴展。

為攻克該難題，研究團隊創(chuàng)新性地研發(fā)人工智能技術(shù)，實時驅(qū)動高速空間光調(diào)制器進行動態(tài)刷新，通過對光鑷陣列位置和相位的精確控制，同時移動所有原子。在該工作中，研究團隊演示了二維和三維原子陣列的任意構(gòu)型重排，實現(xiàn)了高達2024個原子的無缺陷陣列，總耗時僅為60毫秒。隨著原子陣列規(guī)模增大，該重排方法耗時保持不變，因此未來可以直接應(yīng)用于數(shù)萬原子規(guī)模的無缺陷陣列重排。目前，該系統(tǒng)單比特門保真度達99.97%，雙比特門保真度達99.5%，探測保真度達99.92%，已追平以美國哈佛大學為代表的國際最高水平，為構(gòu)建基于中性原子陣列的容錯通用量子計算機奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

△數(shù)千原子無缺陷二維和三維陣列重排實驗結(jié)果圖

審稿人高度評價這項研究工作，認為這一工作“通過組裝2024個原子的陣列創(chuàng)造了新的紀錄”“標志著原子相關(guān)量子物理領(lǐng)域在計算效率和實驗可行性方面的一次重大飛躍”“是一種創(chuàng)新的方法，具有明確且實用的優(yōu)勢，對于原子陣列實驗這一龐大且不斷發(fā)展的研究群體將具有重要吸引力”。

（總臺央視記者 帥俊全 褚爾嘉）