量子計算QUANTUMCOMPUTING原子陣列：容錯量子計算新希望趙修竹是《環(huán)球科學》的科學編輯，主要關(guān)注物理學和數(shù)學等話題。量子特性賦予量子計算高速并行的運算潛力的同時，也留下了難以解決的弊病。這些脆弱的量子態(tài)極易出錯，導致量子計算的輸出結(jié)果并不可信，也因此有了容錯量子計算的概念。不過，實現(xiàn)容錯機制對于物理體系的要求極為苛刻，多數(shù)人都認為我們或許還需要數(shù)十年才能攻克相關(guān)的技術(shù)瓶頸。最近，一項基于中性原子陣列的突破性進展，讓人們看到了在5~10年內(nèi)邁入容錯通用量子計算時代的希望。1981年，在物理學家理查德·費曼（RichardFeynman）開創(chuàng)性地提出通用量子計算的構(gòu)想后，具有超快并行運算潛力的量子計算機很快成為了萬眾期待的下一代計算設數(shù)十年的探索，整個領域已經(jīng)抵達了含噪聲中等規(guī)模量子計算（noisyintermediatescale1,NISQ）的時代，這意味著我們已經(jīng)發(fā)展出了在數(shù)十到數(shù)百個量子比特上運行的量子處理器，然會受到噪聲和誤差的顯著影響，而這些錯誤正是讓量子計算的發(fā)展陷入停滯的最大阻礙。量子特性賦予了量子計算高速并行運算的潛力，但與此同時，也留下了與之相生的沉疴——脆弱的量子態(tài)極易受環(huán)境噪聲影響而出錯，且它一定會隨時間退相干，失去其量子特性，坍縮至經(jīng)典態(tài)。我們?nèi)粘Ｔ谑褂媒?jīng)典計算機時，基本可以忽略它出錯的可能，因為其基本單元的錯誤率僅有1014～1013。而對于量子計算，即使是最好的量子比特，其錯誤率也會高達104～103。可想而知，如果不能降低量子比特的錯誤率，任量子計算機如何“高效”，隨著錯誤的不斷累積，其結(jié)果終將滑向不可靠，成為掉落的達摩克利斯之劍?？茖W家一致認為，NISQ應朝著容錯通用量子計算(fault-tolerantquantumcomputing,FTQC）發(fā)展，其中容錯正是進一步發(fā)展量子計算的關(guān)鍵所在。為此，理論物理學家提出，可以效仿經(jīng)典計算機，在運算過程中利用冗余比特進行檢查和糾錯。就像在公司里，每個人工作時都有可能出錯，但如果一個合作小組中的每個人都遵循特定的工作規(guī)則相互糾錯，就能降低最終成果的錯誤車。類似的，如果將多個物理量子比特編碼為一組，令它們遵循量子糾錯碼“規(guī)則”，實現(xiàn)彼此間的相互糾錯，應該能確保容錯量子計算的基本計算單元——邏輯比特的低錯誤率。然而，在短暫的興奮過后，實驗物理學家發(fā)現(xiàn)，構(gòu)建邏輯比特的方案或許在理論上行之有效，但想要遷移到實際的物理體系中卻并不簡單。近些年，我們見證了不同量子計算體系在各方面的突破性進展，可它們幾乎都是在物理比特上直接運行，展示編碼邏輯比特的數(shù)量僅有個位數(shù)。這是因為編碼邏輯比特對物理體系的要求非?？量?，多數(shù)科學家都認為，我們還需要數(shù)十年才可能攻克實驗上的技術(shù)瓶頸，擴增邏輯比特的數(shù)量，實現(xiàn)小規(guī)模的容錯量子計算。然而，美國哈佛大學和麻省理工學院的一個聯(lián)合研究團隊于2023年12月發(fā)表在《自然》(Nature）的一項新工作，突然將原本數(shù)十年的“日程”進度條快速向前拖動了一大截：或許只需要5至10年，我們便能真正踏入容錯通用量子計算的時代。這一次，邏輯比特的數(shù)量竟沖上了兩位數(shù)：研究團隊用280個原子量子比特編碼了48個邏輯比特，并在邏輯比特上演示了228個兩比特量子邏輯門操作。而他們的結(jié)果也證實了量子糾錯碼的確能降低錯誤率。與此前其他體系只能演示一兩個邏輯比特相比，這項研究第一次大規(guī)模地在實驗上驗證了糾錯碼的有效性，也第一次展現(xiàn)了容錯量子計算“近在咫尺”的希望。奇特的是，此前當人們提及最有希望實現(xiàn)通用量子計算的物理體系時，最耳熟能詳?shù)氖浅瑢Я孔有酒㈦x子阱、光量子等平臺：IBM公司的超導量子芯片系統(tǒng)在去年宣布已突破1000個量子比特的關(guān)卡；而Quantinuum公司的離子阱系統(tǒng)已能實現(xiàn)20個比特的全聯(lián)通等。然而在這項研究中，研究團隊使用的卻是一種此前在量子計算領域似乎“籍籍無名”的體系：中性原子陣列。自由，聯(lián)通幾乎所有事物，包括我們自己，都是由不顯電性的中性原子構(gòu)成的。通常情況下，原子時刻都在進行著無規(guī)則的熱運動。但上世紀卻有理論物理學家推測，原子在被冷卻到接近絕對零度的超低溫時，會表現(xiàn)出顯著的量子特性，如果能一個個捕獲它們，并精確地操縱這些原子，就能得到研究量子世界的理想實驗平臺。這樣的想法一直吸引著許多理論和實驗的相關(guān)研究。隨著激光冷卻技術(shù)的發(fā)展，漸漸地，物理學家真的將這樣的構(gòu)想轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實。如今，基于超低溫原子的冷原子體系（也稱中性原子體系），是原子與分子物理學領域最常用到的實驗平臺。在這個體系中，科學家會將一團原子置于超高真空腔內(nèi)，而后用激光冷卻技術(shù)降低原子的運動速率，再使運動速率較高的原子蒸發(fā)掉，最終讓原子云整本降至極低的溫度。在獲得超低溫的中性原子后，科學家會借助磁場以及高度聚焦的激光（也稱為"光鑷"）陣列捕獲一個個原子，健中性原子陣列。在這一過程中，光鑷與原子的一一對應，使得只需要移動光鑷，便可以任意地移動原子在空間中的位置，這給予了這個體系極大的自由度。這種能夠移動任意數(shù)量的原子使其相互靠近的特性，也被稱為“全聯(lián)通性”。而全聯(lián)通性正是容錯量子計算對物理體系的要求之一。構(gòu)建邏輯比特往往需要在多個物理比特間實現(xiàn)糾纏或受控邏輯門等復雜操作，這就要求能在體系中最大程度自由地移動和操縱量子比特。如果這些物理比特無法自由地靠近，就很難發(fā)揮量子糾錯碼的作用，高效地構(gòu)建邏輯比特。就像在辦公室里，允許自由、精準的交流才能保證容錯順利進行。并非所有體系都能做到"全聯(lián)通性"。比如，在超導體系中，每一個物理量子比特（編碼在含有約瑟夫森結(jié)的超導電路上）都被焊在電路板上。由于空間位置被固定，超導量子比特間若想建立起耦合，就需要預設電路。一旦兩個量子比特間的距離過遠，線路的串擾會造成極大的影響。這種在聯(lián)通性上的匱乏，導致我們很難在超導體系上看到構(gòu)建邏輯比特的演示。而中性原子體系卻在實驗上具有全聯(lián)通性的優(yōu)勢。阻塞，并行更進一步的，全聯(lián)通性還為中性原子體系帶來了另一項優(yōu)勢——高并行性。中性原子體系的量子態(tài)通常編碼在原子核外電子的多能級系統(tǒng)上。利用激光操縱核外電子處于基態(tài)或激發(fā)態(tài)，從而編碼量子信息使得每一個原子都可以成為系統(tǒng)中的一個物理量子比特。但由于不帶電，中性原子間的耦合——實現(xiàn)糾纏的基礎——只能依靠較弱的范德華（范德瓦爾力）相互作用。好在，原子可以通過“變胖”來增強相同距離下微弱的相互作用。在用激光操縱原子核外電子躍遷到激發(fā)態(tài)時，“如果將它從基態(tài)激發(fā)到一個很高很高的能級，就相當于使這個原子的電子云變得非常非常巨大，”清華大學從事冷原子實驗研究的物理學家胡嘉仲解釋道。這樣，即使原子間的距離保持不變，擴大原子外電子的半徑，也能實現(xiàn)原子間強烈的相互作用（實現(xiàn)所謂的糾纏）。一旦某個原子被激發(fā)到胖胖的“巨人”形態(tài)，也稱里德堡態(tài)，在它周圍的一定距離內(nèi)（大于里德堡原子外電子云的半徑，比如在10微米的范圍里），所有其他的原子都不能再通過相同的能量激發(fā)到里德堡態(tài)。就像在相同的距離下，一胖一瘦或兩個瘦瘦的人都可以和平共處，但兩個胖胖的人卻無法共處一樣，這就是里德堡阻塞效應。原本耦合作用微弱的中性原子，表現(xiàn)出強烈的長程相互作用，也讓原子變得對環(huán)境噪聲格外敏感。這些特征使得它非常適用于模擬奇異量子物態(tài)以及開發(fā)量子傳感器等領域。而在量子計算領域中，阻塞效應是實現(xiàn)依賴于狀態(tài)（胖子身邊不能出現(xiàn)另一個胖子）的兩比特糾纏或操控的基礎。（兩個比特糾纏！?。┊攦蓚€基態(tài)原子彼此靠近，如果用一束特定波長的激光照射這對原子，阻塞效應只允許一個原子被激發(fā)到里德堡態(tài)，由此便能在原子對之間建立起糾纏。類似地，通過有選擇性的激發(fā)，可以在量子比特之間實現(xiàn)受控邏輯門等操作。當里德堡阻塞效應與中性原子陣列的全聯(lián)通性相結(jié)合，便得到了物理操作上的高并行性：通過將原子陣列中的一堆原子靠近另一堆，形成相隔較遠距離的多個原子對，而后用一束對應頻率的激光激發(fā)這些原子對，可以讓很多對原子同時實現(xiàn)糾纏的操作，但每一對之間又相互獨立。這樣的高并行性操作不僅能夠提升效率，減少復雜操作的時間，降低錯誤率，也能節(jié)省很多資源。考慮到中性原子系統(tǒng)的全聯(lián)通性、高并行性，以及相干時間長等諸多優(yōu)勢，理所當然地，很早就有物理學家提出用中性原子系統(tǒng)來實現(xiàn)量子計算。不過遺憾的是，在過去的很長一段時間里，中性原子系統(tǒng)都面臨著執(zhí)行兩比特邏輯門操作精度不夠的障礙。而對于量子計算而言，實現(xiàn)量子比特間的糾纏，執(zhí)行運算等基礎操作，都需要用到兩特邏輯門。如果邏輯門操作的保真度低于某個閾值，那無論使用多么高效的糾錯碼，都無法有效降低邏輯比特的錯誤率，更可能是錯上加錯。因此，此前的中性原子系統(tǒng)更多在一些能規(guī)避門操作的領域，比如量子模擬、精密測量等領域發(fā)光發(fā)熱。就在這樣的限制之下，哈佛大學的米哈伊爾，盧金(MikhailLukin）與馬庫斯．格雷納（MarkusGreiner),以及麻省理工學院的弗拉丹．武萊蒂奇（MladanVuletic)卻在2015年建立了一個聯(lián)合研究團隊，首次提出利用中性原子陣列來搭建量子計算機。這三位物理學家各自領導著冷原子物理領域中最優(yōu)秀的理論與實驗團隊，他們非常清楚，中性原子系統(tǒng)如果用在量子計算領域，會擁有哪些得天獨厚的優(yōu)勢，又面臨著怎樣的技術(shù)瓶頸﹣﹣激光！事實上，阻礙中性原子系統(tǒng)提升邏輯門保真度的關(guān)鍵就在于激光，“我們需要用激光捕獲、冷卻、操控原子最后也是通過光學讀取結(jié)果，”胡嘉仲講道，“冷原子物理實驗所有的關(guān)鍵步驟都需要操縱光，我們對于一切操作控制的精準度也都來自光的精準度。”這意味著，激光器的質(zhì)量直接決定著實驗中對于原子控制的精度。這意味著，激光器的質(zhì)量直接決定著實驗中對于原子控制的精度。十多年前，中性原子系統(tǒng)中兩比特門操作的保真度遠不夠高，可如今卻有了突飛猛進式的進展。這其中的決定性因素有兩個，一是激光調(diào)控技術(shù)的提升，能大幅抑制激光的相位噪聲；二是激光功率的大幅度提升?！凹す夤β侍嵘馕吨僮鲿r間的縮短，過去大家的操作還停留在約10微秒的量級，現(xiàn)在哈佛團隊的門操作已經(jīng)縮短到200納秒的時間尺度，時間越長，錯誤就越多。因此功率的提升也能大幅降低噪聲的影響，”胡嘉仲解釋道。開拓科學前沿總是需要一些前瞻力和敏銳的洞見。在光學操縱條件遠沒有達到量子計算要求之際，哈佛團隊仿佛預見到未來激光器的發(fā)展，隨之開啟了他們的征程。而與此同時，國內(nèi)外從事冷原子物理研的多數(shù)其他團隊，對于中性原子系統(tǒng)在量子計算領域中的認知更像是一個漸變的程?！?016年左右，哈佛大學和麻省理工學院的聯(lián)合研究中心邀請我去做一個報告，當時他們?yōu)槲遗帕艘徽炀o密的日程，唯一請我去參觀的就是當時還正在搭建中的中性原子陣列實驗室，”清華大學高等研究院從事冷原子物理理論研究的物理學家翟薈回憶道，“當時我也不是很理解，為什么在那么多更先進的實驗室中，專門安排我參觀這個？但當我們對這個平臺逐漸了解地更多，從2020年左右開始，我們也開始對這個體系有了預期。”“激光技術(shù)的發(fā)展其實非常迅速，激光器也逐漸在替換。與五年前相比，現(xiàn)在能獲得的激光不論是在功率還是穩(wěn)定性上都要好很多”，胡嘉仲感慨道。隨著激光器技術(shù)的進步，中性原子體系在復雜邏輯門操作的保真度上，有了質(zhì)的飛躍，一些研究團隊漸漸開始意識到這個體系在量子計算領域的潛力。2022年，胡嘉仲與陳文蘭夫婦回國搭建好清華的冷原子物理實驗室后，他們同翟薈以及剛回國的理論物理學家顧穎飛一拍即合，成立了“清華里想團隊”，將他們的科學目標部分轉(zhuǎn)移到了搭建原子陣列量子計算平臺上。蓄勢，突破在業(yè)內(nèi)人士看來，哈佛團隊的重磅進展并不是一蹴而就。作為原子陣列量子計算領域的領軍者，他們集結(jié)了最優(yōu)秀的一批研究人員，一直在以驚人的速度推進，并在近兩年實現(xiàn)了一系列關(guān)鍵性的突破。有了這些進展的鋪墊，水到渠成地，研究團隊在2023年末將280個物理比特成功編碼為最多48個邏輯比，且在此基礎上，演示了兩百多個雙邏輯比特橫向門操作而這項工作最引人關(guān)注的。便是對量子糾錯碼有效性的首次大規(guī)模實驗驗證。量子糾錯碼是理論物理學家阿列克謝．基塔耶夫(AlexeiKitaev)和謝爾蓋．布拉維（SergeyBravyi）于1998年提出的概念，它本質(zhì)上描述的是一個邏輯比特單元內(nèi)，多個物理比特之間的糾錯機制。理論上，當物理量子比特的錯誤以及邏輯門操作引入的錯誤率，均低于某個閾值后，量子糾錯碼就能發(fā)揮作用，使基于邏輯比特執(zhí)行運算的錯誤率低于直接在物理比特上運行的錯誤率。為了實現(xiàn)復雜的編碼過程，研究團隊基于光鑷陣列捕獲的280個原子，設置了包含三個區(qū)域的邏輯處理器架構(gòu)：用于"停放"不參與計算的量子比特的存儲區(qū)；用于實現(xiàn)并行糾纏、邏輯門操作的糾纏區(qū)；以及讀取區(qū)﹣﹣這是為了避免干擾仍在運行的量子比特。在這個架構(gòu)中，他們測試了用表面碼（surfacecode，由基塔耶夫提出，在二維晶格上定義的一系列量子糾錯碼）和色碼（colourcode）編碼3、6、12、24以及48個邏輯比特的系統(tǒng)，也探索了不同的算法演示；還在48個邏輯比特上演示了多達數(shù)百個邏輯比特間的邏輯門操作，以及非Clifford量子門操作。與用物理比特直接執(zhí)行運算的體系相比，研究團隊編碼邏輯比特的系統(tǒng)出錯的概率均有所降低。盡管錯誤率降低的程度沒能達到理論上的指數(shù)級，但已能展示糾錯碼與邏輯比特在容錯方面的有效性。此外，他們也展示了隨著糾錯碼碼距（codedistance)——一組邏輯比特中，容許物理比特出錯的最大數(shù)——增大，邏輯比特錯誤率隨之降低的實驗結(jié)果，與理論預測相吻合。而這些復雜的操作類型，更展示了整個系統(tǒng)運行復雜量子線路的能力。希望，限制縱觀整個實驗流程，研究團隊不僅驗證了中性原子陣列的優(yōu)勢，也展現(xiàn)了它實現(xiàn)容錯通用量子計算的巨大潛力。在存儲區(qū)，靜靜等待的原子可以長時間地維持相干態(tài)，保持低錯誤率；在糾纏區(qū)，可以用一束激光實現(xiàn)多對原子的并行糾纏；而原子能夠大規(guī)模地自由移動，也展現(xiàn)了這一體系的全聯(lián)通性。但容錯本身對于物理比特資源的消耗實在過于龐大，為了保證盡可能低的錯誤率，理論上編碼邏輯比特的物理比特數(shù)量也需要盡可能地多。從未來量子計算機需要數(shù)以萬計個邏輯比特，才能實現(xiàn)超越經(jīng)典計算的科學目標來看，這需要物理體系具有非常好的可擴展性——很容易擴增量子比特的數(shù)量。從某種程度上看，中性原子體系也很好地契合了這一條件。中心原子體系的限制并不在資源，“磁光阱中有大把原子供我們隨意抓取，關(guān)鍵是我們能抓取多少原子，”胡嘉仲說道，“這取決于有多少光鑷，而抓太多，我們顯微鏡的觀測視野可能又看不到了。”可以說，激光器、光鑲陣列、顯微鏡等光學系統(tǒng)，才是限制這一體系發(fā)展的技術(shù)瓶頸，而這些瓶頸的突破并非遙不可及?？梢灶A見，在未來的5到10年中，隨著光鑷陣列操縱技術(shù)的不斷發(fā)展，中性原子陣列的規(guī)模也將隨之擴展。事實上，就在2023年10月，一家名為AtomComputing的量子計算初創(chuàng)公司宣布，他們成功搭建了全球首個量子比特數(shù)量突破1000的量子計算機。該平臺正是基于中性原子陣列搭建，這項突破或許已經(jīng)充分展示了這一體系的可擴展性。而從QuEra（由哈佛團隊的三位實驗室負責人共同創(chuàng)建）公司在今年年初發(fā)布的量子計算路線圖來看，他們也正信心滿滿地規(guī)劃著，預計將在2026年將原子陣列量子計算機的物理比特數(shù)量擴增至10000個以上，同時將穩(wěn)定且低錯誤率的邏輯比特數(shù)量擴增至100個。這是一項令人忍不住翹首以盼的目標：當我們能在某個可自由編程的架構(gòu)上，擁有上百個低錯誤率的邏輯比特，就已經(jīng)可以稱之為嬰兒版本的容錯通用量子計算機了。在這個通用程度較低的機器上，我們能得到一些無需經(jīng)典計算預測的可靠結(jié)果，完成一些復雜度較低的計算操作。盡管這距離終極目標依然很遙遠，卻終于是從NISQ時代初步邁入了容錯通用量子計算的時代。不過，一些科學家并不這樣樂觀。他們指出，哈佛團隊的演示工作的確向?qū)崿F(xiàn)容錯通用量子計算邁出了一大步，展現(xiàn)了中性原子體系的潛力，但該體系的發(fā)展也存在一些挑戰(zhàn)，并不一定能輕松地發(fā)展至真正的拐點。比如，在這項工作中，研究人員在邏輯比特上演示的量子邏輯門均為橫向門，但可以執(zhí)行任意量子計算操作的通用門集合中卻不只有橫向門，其他的量子邏輯門若想保證保真度足夠高，通常需要消耗大量寶貴的物理比特資源。然而，擴增物理比特數(shù)量的過程本就極具挑戰(zhàn)。如何保證在擴增數(shù)量的同時，不會降低單個物理比特的保真度，將是他們亟需解決的重點。即使攻克了擴增量子比特數(shù)