中國科學技術大學上海研究院執(zhí)行院長、上海量子科學研究中心副主任陸朝陽表示，這一成果是目前“AI+量子”研究最具代表性的案例。未來隨著量子計算中性原子路線的發(fā)展，這個源自中國的“從0到1”突破必將成為量子計算發(fā)展史上的一個關鍵節(jié)點。

??算力限制是科學技術發(fā)展面臨的最大挑戰(zhàn)之一，沒有足夠的算力就無法有效進行大規(guī)模數(shù)據(jù)處理和復雜算法運算。量子計算機被視為破解算力瓶頸的“終極武器”，其有能力在瞬間破解傳統(tǒng)計算機需數(shù)千年才能完成的難題。

??正因如此，世界各國圍繞量子計算原型機的研制展開激烈角逐。在并行推進的超導、離子阱、光量子等多種技術路線中，中性原子量子體系因具有高擴展性、高保真度、高并行性等優(yōu)勢，在過去十年中迅速脫穎而出，成為極具潛力的量子計算和量子模擬平臺。但受困于技術，中性原子陣列的規(guī)模始終止步于數(shù)百個原子，如何將其擴充至數(shù)千甚至數(shù)萬個原子規(guī)模，成為通往通用量子計算機道路上首先要解決的問題。

??近日，由上海量子科學研究中心（合肥實驗室上海研究基地）、上海人工智能實驗室、中國科學技術大學等單位研究人員組成的聯(lián)合團隊，通過人工智能（AI）和量子計算的跨界融合，成功構建了世界規(guī)模最大的無缺陷二維和三維原子陣列，以2024個原子規(guī)模刷新了該領域的世界紀錄。相關論文日前發(fā)表于國際期刊《物理評論快報》。

??原子陣列面臨規(guī)?；款i

??可擴展的量子比特系統(tǒng)是實現(xiàn)量子計算和量子模擬的基石，量子比特越多，計算能力越強。對于超導與光量子等其他體系結(jié)構來說，要將量子計算機從數(shù)百個量子比特擴展到數(shù)百萬個量子比特，空間是一個很大的挑戰(zhàn)。但對于中性原子體系來說，這在理論上并不是一個問題。

??因為中性原子量子計算機以原子作為量子計算機的基本單元——量子比特，一個毫米級陣列就可以容納多達100萬個量子比特。但最終實現(xiàn)量子計算的前提之一是這個原子陣列是無缺陷的。

??實際情況是，初始的原子陣列通常都帶有隨機缺陷——總有些原子在陣列中“缺席”或“站錯隊”，需要用光鑷將它們重新排布。所謂光鑷，就是用一束很強的激光在原子陣列里構筑“陷阱”，當原子進入“陷阱”，光束就會聚焦，如鑷子一樣將其夾住，然后再將這些原子逐個移動到它們應該待的位置。

??但在實際操作中，這種方式可行性不高。

??首先，用光鑷捕獲原子的成功率只有50%—60%；其次，這種傳統(tǒng)的修復缺陷方式速度很慢，特別是隨著原子陣列規(guī)模擴大，修復時間會呈線性增長，很容易出現(xiàn)“一邊補、一邊丟”的現(xiàn)象，以至于脆弱的原子陣列最終因“等不起”而失效。這也是長期以來導致中性原子陣列的規(guī)模止步于數(shù)百個原子的主要原因。

??AI助力實現(xiàn)“從0到1”突破

??那么，有沒有可能同步移動所有原子？

??針對這個想法，研究團隊創(chuàng)新設計了一個AI模型，它能夠快速生成驅(qū)動高速空間光調(diào)制器（SLM）的全息圖，進而形成光鑷陣列，并精確控制每個光鑷位置和相位。這相當于同時操控成千上萬只“鑷子”，將所有原子瞬間重新擺放到位。

??研究團隊演示了二維和三維原子陣列的任意構型重排，實現(xiàn)了高達2024個原子的無缺陷陣列，總耗時僅為60毫秒。值得一提的是，在原理上，即便原子陣列規(guī)模增大，該重排方法耗時也將始終保持不變。換句話說，不管構建的陣列是100個還是100萬個原子，重排耗時都一樣，因此未來其可直接應用于數(shù)萬原子規(guī)模的無缺陷陣列重排。這也標志著中性原子量子計算邁向“萬原子時代”。

??這徹底解決了原子陣列的修復難題，使中國在量子計算機的一項關鍵技術上成功“卡位”?！斑@一成果是目前‘AI+量子’研究最具代表性的案例?！敝袊茖W技術大學上海研究院執(zhí)行院長、上海量子科學研究中心副主任陸朝陽表示，未來隨著量子計算中性原子路線的發(fā)展，這個源自中國的“從0到1”突破必將成為量子計算發(fā)展史上的一個關鍵節(jié)點。

??此外，AI介入的無缺陷原子陣列重排方式還實現(xiàn)了極高的系統(tǒng)精度指標。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介紹，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，為進一步構建基于中性原子陣列的容錯通用量子計算機奠定了技術基礎。

??研究成果的發(fā)布，迅速引起國際同行關注，很多團隊開始跟進相關研究?！段锢碓u論快報》評價這一成果是“原子相關量子物理領域在計算效率和實驗可行性方面的一次重大飛躍”。美國物理學會主辦的刊物《物理》也將該成果作為研究亮點專門報道。

??全要素全鏈條布局量子產(chǎn)業(yè)

??量子計算機遵循量子力學規(guī)律，能夠在化學催化、材料合成、藥物研發(fā)、金融交易等領域提供遠超傳統(tǒng)計算機的算力。目前，量子計算機處于量子比特制備和系統(tǒng)集成拓展階段，有望走向?qū)嵱没捌凇?/p>

??面對這一重要的未來產(chǎn)業(yè)，上海正積極營造和完善創(chuàng)新生態(tài)，加大頂尖人才培育力度，吸引各地優(yōu)秀團隊來滬發(fā)展，促成“高水平集團作戰(zhàn)”的科研合作模式。這些舉措正在產(chǎn)生實實在在的成效，此次的重磅成果就是一項具有說服力的例證?！皩τ谶@次的成果，我最大的感受是要找到優(yōu)秀的跨界人才?！鄙虾Ｊ锌莆嚓P處室負責人表示。

??此次成果也證明，盡管研究團隊是從2020年底才開始中性原子量子計算機的相關研究，但有希望追趕甚至反超國際領先團隊。不僅如此，上海還有其他科研團隊正循著中性原子技術路線，研制量子計算原型機，并且已取得階段性成果。

??據(jù)悉，上海已于去年組建量子計算項目經(jīng)理團隊，形成未來產(chǎn)業(yè)培育方案，正在進行全要素和全鏈條布局，包括整機、儀器設備、算法軟件、人才、應用場景和投資基金等。當前，上海還策劃打造量子計算未來產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)，以進一步集聚頂尖人才、獨角獸企業(yè)、高質(zhì)量孵化器等資源，持續(xù)提高創(chuàng)新濃度，加速產(chǎn)業(yè)培育與落地。

??“我們希望通過中性原子量子計算機的整機研制和關鍵技術的攻關，在上海乃至長三角形成一個量子計算技術攻關和產(chǎn)業(yè)化高地?！鄙虾Ｊ锌莆嚓P處室負責人說。