近日，我國量子計算領(lǐng)域技術(shù)研究取得突破性進展。相關(guān)實驗利用人工智能技術(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。

　　

 

　　數(shù)千原子無缺陷二維和三維陣列重排實驗結(jié)果圖 本文均為受訪者供圖

　　8月9日，這項由上海量子科學研究中心(合肥實驗室上海基地)、上海人工智能實驗室、中國科學技術(shù)大學聯(lián)合開展的研究成果，發(fā)表在國際學術(shù)期刊《物理評論快報》上，并被美國物理學會《物理》作為研究亮點專門報道。

　　審稿人高度評價這項研究工作，認為這一工作“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”。

　　AI賦能量子計算研究突破

　　上海人工智能實驗室青年科學家、上海創(chuàng)智學院全時導師鐘翰森是該研究的負責人之一。鐘翰森表示，AI和量子結(jié)合的研究目前來講并不多，而這項工作相當于AI和量子結(jié)合相對早期的探索。這次探索針對的是中性原子量子計算領(lǐng)域，上海在這一領(lǐng)域已率先開展布局。

　　因為具有優(yōu)異的擴展性、高保真度量子門、高并行性和任意的連接性，中性原子體系是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。

　　然而，傳統(tǒng)的重排方法受限于隨陣列規(guī)模增長的時間復雜度、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。AI的發(fā)展為研究團隊提供了新的思路，為了攻克這個難題，研究團隊創(chuàng)新性地研發(fā)AI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。

　　通俗地說，過去技術(shù)無法自如地控制光鑷來移動原子，只能一個個原子依次進行。如今依賴AI算法，研究人員能夠一次性完成光鑷陣列的調(diào)控，不論多大規(guī)模的陣列都可以實現(xiàn)原子同步移動。

　　

 

　　實驗裝置示意圖

　　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。而隨著原子陣列規(guī)模增大，該重排方法能夠?qū)⒑臅r保持不變，未來可以直接應用于數(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)。

　　中國科學技術(shù)大學上海研究院執(zhí)行院長、上海量子科學研究中心副主任陸朝陽表示，這項研究借助AI找到了極為有效的方法，體現(xiàn)了速度快、精度高、可擴展的三大優(yōu)點。在他看來，這是可以寫進中性原子量子計算機發(fā)展史的里程碑技術(shù)突破，而這項突破“源自中國”。

　　量子研究的未來

　　2024個原子的無缺陷陣列已經(jīng)刷新世界紀錄，而對于這項重排技術(shù)來說，2024還遠不是上限。在算力角度上，目前實現(xiàn)2024個原子陣列重排的，僅需兩張英偉達4090顯卡。之所以目前僅構(gòu)建這一數(shù)目的陣列，很大程度上是受限于其他技術(shù)和硬件條件等。

　　如果用“木桶理論”來解釋，那么原子陣列重排技術(shù)的突破實現(xiàn)了其中一塊“木板”的飛躍，而要真正把量子比特的規(guī)模擴大，還需要解決多個領(lǐng)域的問題。目前在算法模擬環(huán)境中驗證，把2024個原子擴大到數(shù)萬個不是問題，而要在實際的實驗平臺上實現(xiàn)，下一步必須提高激光器的功率，測試更多極限性能，進一步提升平臺能力。

　　鐘翰森表示，單項指標目前已經(jīng)取得領(lǐng)先，但從單項指標走向工程化、系統(tǒng)化、集成化的過程中，還有很多工作要做。領(lǐng)域內(nèi)不同的研究團隊在不斷地把木桶的所有木板湊齊，只不過各自的路徑不同。

　　我們離通用量子計算機還有多遠呢?在未來3-5年的時間內(nèi)，量子計算機能夠在一些狹窄的領(lǐng)域作為科學工具幫助人們開展研究，而要實現(xiàn)密碼破譯等大規(guī)模應用，還需要10年左右。

　　此次的技術(shù)突破由上海和安徽合作而成，既體現(xiàn)了高水平的科研，又體現(xiàn)了“有組織的兵團作戰(zhàn)”。現(xiàn)階段，量子計算作為重要的未來產(chǎn)業(yè)，受到上海的高度重視。去年，上海啟動了量子計算機整機的研制，目前正在策劃量子計算未來產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)的建設(shè)。市科委相關(guān)處室負責人表示，接下來要持之以恒支持整機研制，力爭在裝備設(shè)備領(lǐng)域突圍，尤其要培養(yǎng)更多量子領(lǐng)域的年輕人。