尽管通用量子计算机还未面世，但我国科学家近期的一项实验，为这一目标的实现奠定了关键技术基础。
第一财经从上海市科委获悉，近日，上海量子科学研究中心（合肥实验室上海基地）、上海人工智能实验室、中国科学技术大学联合团队，利用人工智能技术，刷新了中性原子体系无缺陷原子阵列规模的世界纪录。相关论文日前以“编辑推荐”形式发表在国际期刊《物理评论快报》上，美国物理学会期刊《物理》报道了这一研究亮点。
审稿人评价这项研究工作认为，“通过组装2024个原子的阵列创造了新的纪录”“标志着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”。
成果有何意义
在量子计算原型机的研发上，国际上有多条不同技术路线，本次实验的“中性原子”路线，虽然与超导、光量子等技术路线相比是“后起之秀”，但也被视为未来我国量子产业突破的一个关键。中性原子体系因优异的扩展性、高保真度量子门、高并行性和任意的连接性，成为极具潜力的量子计算和量子模拟平台。
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，中性原子计算也是上海市重点布局、推进发展的一个研究方向。
他说，中性原子起步时间相对较晚，但是发展速度特别快，其中最主要的一个原因就是中性原子的规模可以做得比较大。“我们可以用激光阵列的方式，对原子进行调控。另外一个原因，是原子相比量子比特、超导等尺寸较大，这也是很大的优势。”
研究团队介绍，该体系使用光镊阵列囚禁中性原子，首先需要通过重排技术将初始随机填充的原子阵列转换成无缺陷原子阵列，在此基础上进行量子逻辑门操作。
钟翰森提到的光镊，是2018年诺贝尔物理学奖的得主们开创的技术，原理是用一束强激光在空间中形成势阱，将原子像“筷子夹小球、夹花生米”一样稳定控制。
在《物理》杂志网站上，科研团队展示了一段以“薛定谔的猫”为主题的动画
为攻克该难题，研究团队研发人工智能技术，实时驱动高速空间光调制器进行动态刷新，通过对光镊阵列位置和相位的精确控制，同时移动所有原子。不过，单次捕获原子的成功概率仅为50%~60%，在大规模操作中势必形成“有缺口”的原子阵列，因此他们就想能不能让所有原子同时移动。
在实验中，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。随着原子阵列规模增大，该重排方法耗时保持不变，因此未来可以直接应用于数万原子规模的无缺陷阵列重排。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。
谈及该实验对通用量子计算机的实现，钟翰森解释有促进和加快作用。“将来的通用量子计算机，如果说是以中性原子这个路线来完成的话，希望我们的研究，能够成为量子计算机里非常核心的组件。”
AI为研究“加速度”
上海市科委相关处室负责人介绍，这一成果体现了“人工智能驱动的科学研究（AI4S）”的重大价值。目前，AI4S已成为全球人工智能的前沿领域，从假说提出、实验设计、数据收集与分析到反思回顾等多个维度推动科研发展。在量子计算层面，由于这是一个更加前瞻性的领域，要形成足够的跨界人才储备——既懂量子物理、又懂人工智能，这非常难，因此国内外此前在该领域一直没能形成有影响力的成果。
中性原子量子计算实验装置，采访对象供图
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也表示，这一成果是目前“AI+量子”研究最具代表性的案例。
而该团队的关键成员钟翰森，就是一个“跨界”典型。2022年他从中国科技大学量子信息物理学专业博士毕业后，加入上海人工智能实验室。
钟翰森带领团队通过大数据训练和算法创新，开发出一个专用大模型，它能实时驱动高速空间光调制器进行动态刷新，通过对光镊阵列位置和相位的精确控制，同时移动所有原子。“把我们这个算法实时部署到实验系统里面来中间其实面临了很多挑战的。”钟翰森说。
他们利用人工智能技术，实现了高度的并行性以及与阵列规模无关的常数时间消耗，在60毫秒内成功构建了多达2024个原子的无缺陷二维和三维原子阵列，刷新了中性原子体系无缺陷原子阵列规模的世界纪录。
而该论文在预印平台刚一发布，就有国际顶尖学术团队前来沟通，希望探讨进一步合作的可能性。钟翰森介绍，目前国际上已有更多团队开始跟进，因为大家都看到了它给大规模中性原子阵列量子计算平台研发注入的希望。
上海市科委相关处室负责人介绍，现在量子计算整体仍处在一个比较早期的发展阶段，类似于美国在上个世纪四五十年代有第一台计算机。同时量子计算作为未来产业布局发展的重点方向之一，上海组建了量子计算项目经理团队，已形成未来产业培育方案，正进行全要素和全链条布局，包括量子计算整机、仪器设备、算法软件、人才、应用场景、和投资基金等。上海还计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，持续提高创新的浓度，加速产业培育与落地。 “我们将与中国科大、合肥实验室等单位继续紧密合作，把长三角打造成量子科技和产业高地。”该负责人说。
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金叶子
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