中性原子如何为下一代量子计算机提供动力

在打造实用量子计算机的竞赛中出现了转折。几家公司都认为，有一种比 IBM 和谷歌等巨头所采用的领先方法更好的方法来制造量子计算机的基本单位——量子比特。

回顾一下量子计算机的基本设计，我们可以将量子比特视为传统计算机中包含的二进制比特的量子等价物。但量子比特并不像比特那样存储开或关状态（著名的 1 或 0），而是存储波形，这使得它们的值可以是 1、0 或两者的组合。为了表现出这些量子特性，物体必须非常小或非常冷。理论上，这种特性使量子比特能够执行比比特更复杂的计算。但实际上，量子比特达到的独特状态很难维持，一旦状态丢失，这些量子比特中携带的信息也会丢失。因此，量子比特可以保持这种量子状态的时间目前限制了可以执行的计算。

IBM 是打造实用量子计算机的领跑者，其处理这些基本计算单元的方法是一种称为超导量子比特的装置。该技术涉及设计超导金属和绝缘体的小块，以创建一种在超冷环境中表现得像人造原子的材料（此处有更深入的解释）。

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但对于 QuEra、Atom Computing、Pasqal 等新兴公司来说，他们正在尝试一些新的东西，并使用中性原子构建量子计算机，这一直被视为一个有前途的平台。中性原子是一种含有平衡数量的正电荷和负电荷的原子。

此前，这种方法主要由小公司和大学实验室进行测试，但这种情况可能很快就会开始改变。专家在 2021 年告诉PopSci ，使用由中性原子制成的量子比特在某些方面可能比制造人造原子更容易。

例如，QuEra 使用铷原子作为量子比特。铷是元素周期表中的碱金属之一，原子序数为 37。为了让原子携带量子信息，研究人员会用激光照射它，将其激发到不同的能级。可以分离出其中两个能级，并将其标记为量子比特的 0 和 1 值。在激发态下，原子可以与附近的其他原子相互作用。激光还可以充当单个原子的“光镊”，将它们固定在原位并减少它们的运动，从而冷却它们并使其更易于使用。该公司表示，它可以在一平方毫米的灵活配置中封装数千个激光捕获的原子。QuEra 声称他们有时可以实现超过 1 秒的相干时间（相干时间是量子比特保留其量子属性的时间）。相比之下，IBM 量子芯片的平均相干时间约为 300 微秒。

《自然》杂志报道称：“为了组装多个量子比特，物理学家将一束激光分成多束，例如通过液晶屏幕。这可以创建数百个镊子阵列，每个镊子都可以捕获自己的原子。该技术的一个主要优势是物理学家可以组合多种类型的镊子，其中一些镊子可以快速移动——带着它们携带的原子……这使得该技术比其他平台（如超导体）更灵活，在超导体中，每个量子比特只能与芯片上的直接邻居交互。”

目前，同行评议的论文已经发表，测试了在这种技术上运行量子算法的可能性。1 月份发表在《自然物理学》杂志上的一篇论文甚至描述了被光镊捕获的中性原子的行为。

目前，QuEra 能够处理大约 256 个量子比特，是亚马逊网络服务量子计算服务的一部分。据亚马逊博客文章称，这些基于中性原子的处理器适用于“以图形模式排列原子，并解决某些组合优化问题”。

与此同时，Atom Computing 的量子比特以碱土金属锶为基础，使用真空室、磁场和激光来创建阵列。它的原型引起了五角大楼 DARPA 研究部门的关注，最近它获得了该机构未开发实用级量子计算系统 (US2QC) 计划的资助。

另一家位于巴黎的量子计算初创公司 Pasqal 也为这种新兴方法筹集了相当多的资金。具体来说，据TechCrunch报道，该公司在 1 月底筹集了约 1 亿欧元，用于打造其中性原子量子计算机。