量子计算迎来历史性突破：加州理工学院实现6100量子比特阵列

十大品牌 2025年10月10日 19:49 0 aa

量子计算领域刚刚见证了一个里程碑式的突破。加州理工学院研究团队成功构建了世界上规模最大的中性原子量子比特阵列，包含6100个量子比特，这一成就将量子计算机向实现大规模纠错和完整量子计算的目标推进了一大步。这项发表在《自然》杂志上的研究成果，不仅在量子比特数量上创造了新纪录，更重要的是在保持量子态稳定性和操控精度方面实现了前所未有的突破。

在全球量子计算竞赛日趋激烈的背景下，这一突破具有特殊意义。当前主要的量子计算平台包括超导电路、离子阱和中性原子等不同技术路线，而加州理工学院选择的中性原子平台正在显示出其在可扩展性方面的独特优势。项目负责人、加州理工学院物理学教授曼努埃尔·恩德雷斯表示："这是中性原子量子计算发展的一个激动人心的时刻。我们现在可以看到通向大型纠错量子计算机的路径，构建模块已经就位。"

突破传统限制的技术创新

加州理工学院已经构建了世界上最大的中性原子量子比特阵列——6,100 个量子比特——推动量子计算机更接近纠错和全面计算。图片来源：股票

这项研究的核心在于利用光学镊子技术实现了前所未有的量子比特控制精度。研究团队使用高度聚焦的激光束作为光学镊子，将数千个独立的铯原子捕获并排列成网格状阵列。为了构建这个庞大的原子阵列，研究人员将单一激光束分成12000个光学镊子，在真空室内成功捕获并保持了6100个原子的稳定状态。

主导这项研究的三名加州理工学院研究生汉娜·马内奇、野村行平和埃利·巴塔耶在技术实现上取得了多项关键突破。马内奇描述道："在屏幕上，我们实际上可以看到每个量子比特都像一个光点。这是大规模量子硬件的一个令人震撼的图像。"这种可视化能力不仅展示了技术的精密程度，更为后续的量子态操控和错误检测奠定了基础。

更为重要的是，研究团队证明了规模扩大并没有以牺牲质量为代价。即使在拥有超过6000个量子比特的单一阵列中，团队仍能将量子比特保持在叠加态长达13秒——这比之前类似阵列的保持时间长了近10倍，同时对单个量子比特的操控精度达到99.98%。野村行平强调："大规模通常被认为是以精度为代价的，但我们的结果表明两者可以兼得。没有质量的量子比特是无用的，现在我们同时拥有了数量和质量。"

量子态保持与动态操控的技术突破

这张图像显示了 6,100 个铯原子被称为光镊的高度聚焦激光束捕获。圆的宽度约为一毫米。图片来源：加州理工学院/恩德雷斯实验室

此次研究的另一个重大突破在于实现了量子比特的动态操控能力。研究团队成功证明，他们可以在保持原子叠加态的同时，将原子在阵列上移动数百微米的距离。这种"穿梭"量子比特的能力是中性原子量子计算机相对于传统硬连线平台（如超导量子比特）的关键优势，它能够实现更高效的纠错机制。

马内奇用一个生动的比喻来描述这一技术挑战："移动单个原子同时保持叠加状态的任务就像在奔跑时平衡一杯水。试图让原子保持叠加状态，就像要小心不要跑得太快，以免水溅出来。"这种精密的量子态保持技术对于实现大规模量子计算至关重要，因为它允许量子比特在计算过程中重新配置，从而优化计算路径和纠错策略。

这里可以看到 Kon H. Leung 正在研究用于捕获 6,100 个原子的装置。图片来源：加州理工学院/野村行平

中性原子平台的这种灵活性为量子计算机的架构设计提供了新的可能性。与固定连接的超导量子比特不同，中性原子可以根据计算需要动态重新排列，这种特性在执行复杂的量子算法和实现容错量子计算时具有显著优势。

迈向量子纠错的关键步骤

量子计算面临的最大挑战之一是量子比特的脆弱性。由于量子态极易受到环境干扰而发生退相干，构建可靠的量子计算机需要大量的冗余量子比特来检测和纠正错误。理论计算表明，实用的量子计算机可能需要数十万个量子比特才能执行有意义的计算任务。

一个将 6,100 个激光捕获的原子保存在超高真空中的腔室。图片来源：加州理工学院/兰斯·林田

巴塔耶解释了量子纠错的独特挑战："量子计算机必须以容错的方式对信息进行编码，这样我们才能真正进行有价值的计算。与经典计算机不同，由于量子力学的无克隆定理，量子比特不能简单地复制，因此纠错必须依赖更加微妙的策略。"

加州理工学院的这项成就为在数千个物理量子比特规模上实现量子纠错奠定了技术基础。中性原子平台在这方面显示出特别的优势，因为原子之间的相互作用可以精确控制，而且可以实现任意的量子比特连接拓扑结构，这些特性对于实现表面码等先进的量子纠错协议至关重要。

未来发展前景与科学应用

Elie Bataille、Kon H. Leung、Gyohei Nomura 和 Hannah Manetsch 在加州理工学院的实验室。图片来源：加州理工学院/兰斯·林田

展望未来，研究团队计划在纠缠状态下连接阵列中的量子比特。量子纠缠是量子力学的核心现象，粒子在纠缠状态下变得相关并作为一个整体表现。这是量子计算机超越简单叠加存储信息的必要步骤，也是实现完整量子计算的关键。

纠缠能力的实现将开启量子计算的真正潜力——模拟自然界本身的量子行为。在自然界中，纠缠塑造了物质在各个尺度上的行为，从分子化学反应到固体物理中的相变现象。通过利用纠缠，量子计算机有望在多个科学领域带来革命性的发现，包括揭示物质的新相态、指导新型材料的设计，以及对控制时空的量子场进行精确建模。

汉娜·马内奇（Hannah Manetsch）在加州理工学院曼努埃尔·恩德雷斯（Manuel Endres）的实验室工作。图片来源：加州理工学院/兰斯·林田

马内奇对这一前景表达了兴奋之情："令人兴奋的是，我们正在创造机器来帮助我们以只有量子力学才能教给我们的方式了解宇宙。"这种表述准确地概括了量子计算的终极目标：不仅是计算工具的革新，更是人类认识自然界的新方法。

当前，全球多个研究团队和科技公司都在竞相发展量子计算技术。IBM、谷歌等公司在超导量子比特方面取得了重要进展，IonQ等公司专注于离子阱技术，而Atom Computing等初创公司则专注于中性原子平台。加州理工学院的这项成就为中性原子技术在这场竞争中确立了重要地位，特别是在可扩展性方面显示出了独特优势。

随着量子计算技术的不断进步，我们有理由相信，在不久的将来，大规模的容错量子计算机将成为现实，为解决气候变化、新药开发、人工智能优化等人类面临的重大挑战提供强有力的工具。

蓝河OS3.0正式亮相，vivo立志打造下一代AI原生操作系统

史上最早“双11”能否拿出诚意与新意？

发表评论

量子计算迎来历史性突破：加州理工学院实现6100量子比特阵列

蓝河OS3.0正式亮相，vivo立志打造下一代AI原生操作系统

史上最早“双11”能否拿出诚意与新意？

热门文章

最新文章