量子计阵列：容错量子计算新希望

量子计算QUANTUMCOMPUTING原子阵列：容错量子计算新希望赵修竹是《环球科学》的科学编辑，主要关注物理学和数学等话题。量子特性赋予量子计算高速并行的运算潜力的同时，也留下了难以解决的弊病。这些脆弱的量子态极易出错，导致量子计算的输出结果并不可信，也因此有了容错量子计算的概念。不过，实现容错机制对于物理体系的要求极为苛刻，多数人都认为我们或许还需要数十年才能攻克相关的技术瓶颈。最近，一项基于中性原子阵列的突破性进展，让人们看到了在5~10年内迈入容错通用量子计算时代的希望。1981年，在物理学家理查德·费曼（RichardFeynman）开创性地提出通用量子计算的构想后，具有超快并行运算潜力的量子计算机很快成为了万众期待的下一代计算设数十年的探索，整个领域已经抵达了含噪声中等规模量子计算（noisyintermediatescale1,NISQ）的时代，这意味着我们已经发展出了在数十到数百个量子比特上运行的量子处理器，然会受到噪声和误差的显著影响，而这些错误正是让量子计算的发展陷入停滞的最大阻碍。量子特性赋予了量子计算高速并行运算的潜力，但与此同时，也留下了与之相生的沉疴——脆弱的量子态极易受环境噪声影响而出错，且它一定会随时间退相干，失去其量子特性，坍缩至经典态。我们日常在使用经典计算机时，基本可以忽略它出错的可能，因为其基本单元的错误率仅有1014～1013。而对于量子计算，即使是最好的量子比特，其错误率也会高达104～103。可想而知，如果不能降低量子比特的错误率，任量子计算机如何“高效”，随着错误的不断累积，其结果终将滑向不可靠，成为掉落的达摩克利斯之剑。科学家一致认为，NISQ应朝着容错通用量子计算(fault-tolerantquantumcomputing,FTQC）发展，其中容错正是进一步发展量子计算的关键所在。为此，理论物理学家提出，可以效仿经典计算机，在运算过程中利用冗余比特进行检查和纠错。就像在公司里，每个人工作时都有可能出错，但如果一个合作小组中的每个人都遵循特定的工作规则相互纠错，就能降低最终成果的错误车。类似的，如果将多个物理量子比特编码为一组，令它们遵循量子纠错码“规则”，实现彼此间的相互纠错，应该能确保容错量子计算的基本计算单元——逻辑比特的低错误率。然而，在短暂的兴奋过后，实验物理学家发现，构建逻辑比特的方案或许在理论上行之有效，但想要迁移到实际的物理体系中却并不简单。近些年，我们见证了不同量子计算体系在各方面的突破性进展，可它们几乎都是在物理比特上直接运行，展示编码逻辑比特的数量仅有个位数。这是因为编码逻辑比特对物理体系的要求非常苛刻，多数科学家都认为，我们还需要数十年才可能攻克实验上的技术瓶颈，扩增逻辑比特的数量，实现小规模的容错量子计算。然而，美国哈佛大学和麻省理工学院的一个联合研究团队于2023年12月发表在《自然》(Nature）的一项新工作，突然将原本数十年的“日程”进度条快速向前拖动了一大截：或许只需要5至10年，我们便能真正踏入容错通用量子计算的时代。这一次，逻辑比特的数量竟冲上了两位数：研究团队用280个原子量子比特编码了48个逻辑比特，并在逻辑比特上演示了228个两比特量子逻辑门操作。而他们的结果也证实了量子纠错码的确能降低错误率。与此前其他体系只能演示一两个逻辑比特相比，这项研究第一次大规模地在实验上验证了纠错码的有效性，也第一次展现了容错量子计算“近在咫尺”的希望。奇特的是，此前当人们提及最有希望实现通用量子计算的物理体系时，最耳熟能详的是超导量子芯片、离子阱、光量子等平台：IBM公司的超导量子芯片系统在去年宣布已突破1000个量子比特的关卡；而Quantinuum公司的离子阱系统已能实现20个比特的全联通等。然而在这项研究中，研究团队使用的却是一种此前在量子计算领域似乎“籍籍无名”的体系：中性原子阵列。自由，联通几乎所有事物，包括我们自己，都是由不显电性的中性原子构成的。通常情况下，原子时刻都在进行着无规则的热运动。但上世纪却有理论物理学家推测，原子在被冷却到接近绝对零度的超低温时，会表现出显著的量子特性，如果能一个个捕获它们，并精确地操纵这些原子，就能得到研究量子世界的理想实验平台。这样的想法一直吸引着许多理论和实验的相关研究。随着激光冷却技术的发展，渐渐地，物理学家真的将这样的构想转化为现实。如今，基于超低温原子的冷原子体系（也称中性原子体系），是原子与分子物理学领域最常用到的实验平台。在这个体系中，科学家会将一团原子置于超高真空腔内，而后用激光冷却技术降低原子的运动速率，再使运动速率较高的原子蒸发掉，最终让原子云整本降至极低的温度。在获得超低温的中性原子后，科学家会借助磁场以及高度聚焦的激光（也称为"光镊"）阵列捕获一个个原子，健中性原子阵列。在这一过程中，光镊与原子的一一对应，使得只需要移动光镊，便可以任意地移动原子在空间中的位置，这给予了这个体系极大的自由度。这种能够移动任意数量的原子使其相互靠近的特性，也被称为“全联通性”。而全联通性正是容错量子计算对物理体系的要求之一。构建逻辑比特往往需要在多个物理比特间实现纠缠或受控逻辑门等复杂操作，这就要求能在体系中最大程度自由地移动和操纵量子比特。如果这些物理比特无法自由地靠近，就很难发挥量子纠错码的作用，高效地构建逻辑比特。就像在办公室里，允许自由、精准的交流才能保证容错顺利进行。并非所有体系都能做到"全联通性"。比如，在超导体系中，每一个物理量子比特（编码在含有约瑟夫森结的超导电路上）都被焊在电路板上。由于空间位置被固定，超导量子比特间若想建立起耦合，就需要预设电路。一旦两个量子比特间的距离过远，线路的串扰会造成极大的影响。这种在联通性上的匮乏，导致我们很难在超导体系上看到构建逻辑比特的演示。而中性原子体系却在实验上具有全联通性的优势。阻塞，并行更进一步的，全联通性还为中性原子体系带来了另一项优势——高并行性。中性原子体系的量子态通常编码在原子核外电子的多能级系统上。利用激光操纵核外电子处于基态或激发态，从而编码量子信息使得每一个原子都可以成为系统中的一个物理量子比特。但由于不带电，中性原子间的耦合——实现纠缠的基础——只能依靠较弱的范德华（范德瓦尔力）相互作用。好在，原子可以通过“变胖”来增强相同距离下微弱的相互作用。在用激光操纵原子核外电子跃迁到激发态时，“如果将它从基态激发到一个很高很高的能级，就相当于使这个原子的电子云变得非常非常巨大，”清华大学从事冷原子实验研究的物理学家胡嘉仲解释道。这样，即使原子间的距离保持不变，扩大原子外电子的半径，也能实现原子间强烈的相互作用（实现所谓的纠缠）。一旦某个原子被激发到胖胖的“巨人”形态，也称里德堡态，在它周围的一定距离内（大于里德堡原子外电子云的半径，比如在10微米的范围里），所有其他的原子都不能再通过相同的能量激发到里德堡态。就像在相同的距离下，一胖一瘦或两个瘦瘦的人都可以和平共处，但两个胖胖的人却无法共处一样，这就是里德堡阻塞效应。原本耦合作用微弱的中性原子，表现出强烈的长程相互作用，也让原子变得对环境噪声格外敏感。这些特征使得它非常适用于模拟奇异量子物态以及开发量子传感器等领域。而在量子计算领域中，阻塞效应是实现依赖于状态（胖子身边不能出现另一个胖子）的两比特纠缠或操控的基础。（两个比特纠缠！！）当两个基态原子彼此靠近，如果用一束特定波长的激光照射这对原子，阻塞效应只允许一个原子被激发到里德堡态，由此便能在原子对之间建立起纠缠。类似地，通过有选择性的激发，可以在量子比特之间实现受控逻辑门等操作。当里德堡阻塞效应与中性原子阵列的全联通性相结合，便得到了物理操作上的高并行性：通过将原子阵列中的一堆原子靠近另一堆，形成相隔较远距离的多个原子对，而后用一束对应频率的激光激发这些原子对，可以让很多对原子同时实现纠缠的操作，但每一对之间又相互独立。这样的高并行性操作不仅能够提升效率，减少复杂操作的时间，降低错误率，也能节省很多资源。考虑到中性原子系统的全联通性、高并行性，以及相干时间长等诸多优势，理所当然地，很早就有物理学家提出用中性原子系统来实现量子计算。不过遗憾的是，在过去的很长一段时间里，中性原子系统都面临着执行两比特逻辑门操作精度不够的障碍。而对于量子计算而言，实现量子比特间的纠缠，执行运算等基础操作，都需要用到两特逻辑门。如果逻辑门操作的保真度低于某个阈值，那无论使用多么高效的纠错码，都无法有效降低逻辑比特的错误率，更可能是错上加错。因此，此前的中性原子系统更多在一些能规避门操作的领域，比如量子模拟、精密测量等领域发光发热。就在这样的限制之下，哈佛大学的米哈伊尔，卢金(MikhailLukin）与马库斯．格雷纳（MarkusGreiner),以及麻省理工学院的弗拉丹．武莱蒂奇（MladanVuletic)却在2015年建立了一个联合研究团队，首次提出利用中性原子阵列来搭建量子计算机。这三位物理学家各自领导着冷原子物理领域中最优秀的理论与实验团队，他们非常清楚，中性原子系统如果用在量子计算领域，会拥有哪些得天独厚的优势，又面临着怎样的技术瓶颈﹣﹣激光！事实上，阻碍中性原子系统提升逻辑门保真度的关键就在于激光，“我们需要用激光捕获、冷却、操控原子最后也是通过光学读取结果，”胡嘉仲讲道，“冷原子物理实验所有的关键步骤都需要操纵光，我们对于一切操作控制的精准度也都来自光的精准度。”这意味着，激光器的质量直接决定着实验中对于原子控制的精度。这意味着，激光器的质量直接决定着实验中对于原子控制的精度。十多年前，中性原子系统中两比特门操作的保真度远不够高，可如今却有了突飞猛进式的进展。这其中的决定性因素有两个，一是激光调控技术的提升，能大幅抑制激光的相位噪声；二是激光功率的大幅度提升。“激光功率提升意味着操作时间的缩短，过去大家的操作还停留在约10微秒的量级，现在哈佛团队的门操作已经缩短到200纳秒的时间尺度，时间越长，错误就越多。因此功率的提升也能大幅降低噪声的影响，”胡嘉仲解释道。开拓科学前沿总是需要一些前瞻力和敏锐的洞见。在光学操纵条件远没有达到量子计算要求之际，哈佛团队仿佛预见到未来激光器的发展，随之开启了他们的征程。而与此同时，国内外从事冷原子物理研的多数其他团队，对于中性原子系统在量子计算领域中的认知更像是一个渐变的程。“2016年左右，哈佛大学和麻省理工学院的联合研究中心邀请我去做一个报告，当时他们为我排了一整天紧密的日程，唯一请我去参观的就是当时还正在搭建中的中性原子阵列实验室，”清华大学高等研究院从事冷原子物理理论研究的物理学家翟荟回忆道，“当时我也不是很理解，为什么在那么多更先进的实验室中，专门安排我参观这个？但当我们对这个平台逐渐了解地更多，从2020年左右开始，我们也开始对这个体系有了预期。”“激光技术的发展其实非常迅速，激光器也逐渐在替换。与五年前相比，现在能获得的激光不论是在功率还是稳定性上都要好很多”，胡嘉仲感慨道。随着激光器技术的进步，中性原子体系在复杂逻辑门操作的保真度上，有了质的飞跃，一些研究团队渐渐开始意识到这个体系在量子计算领域的潜力。2022年，胡嘉仲与陈文兰夫妇回国搭建好清华的冷原子物理实验室后，他们同翟荟以及刚回国的理论物理学家顾颖飞一拍即合，成立了“清华里想团队”，将他们的科学目标部分转移到了搭建原子阵列量子计算平台上。蓄势，突破在业内人士看来，哈佛团队的重磅进展并不是一蹴而就。作为原子阵列量子计算领域的领军者，他们集结了最优秀的一批研究人员，一直在以惊人的速度推进，并在近两年实现了一系列关键性的突破。有了这些进展的铺垫，水到渠成地，研究团队在2023年末将280个物理比特成功编码为最多48个逻辑比，且在此基础上，演示了两百多个双逻辑比特横向门操作而这项工作最引人关注的。便是对量子纠错码有效性的首次大规模实验验证。量子纠错码是理论物理学家阿列克谢．基塔耶夫(AlexeiKitaev)和谢尔盖．布拉维（SergeyBravyi）于1998年提出的概念，它本质上描述的是一个逻辑比特单元内，多个物理比特之间的纠错机制。理论上，当物理量子比特的错误以及逻辑门操作引入的错误率，均低于某个阈值后，量子纠错码就能发挥作用，使基于逻辑比特执行运算的错误率低于直接在物理比特上运行的错误率。为了实现复杂的编码过程，研究团队基于光镊阵列捕获的280个原子，设置了包含三个区域的逻辑处理器架构：用于"停放"不参与计算的量子比特的存储区；用于实现并行纠缠、逻辑门操作的纠缠区；以及读取区﹣﹣这是为了避免干扰仍在运行的量子比特。在这个架构中，他们测试了用表面码（surfacecode，由基塔耶夫提出，在二维晶格上定义的一系列量子纠错码）和色码（colourcode）编码3、6、12、24以及48个逻辑比特的系统，也探索了不同的算法演示；还在48个逻辑比特上演示了多达数百个逻辑比特间的逻辑门操作，以及非Clifford量子门操作。与用物理比特直接执行运算的体系相比，研究团队编码逻辑比特的系统出错的概率均有所降低。尽管错误率降低的程度没能达到理论上的指数级，但已能展示纠错码与逻辑比特在容错方面的有效性。此外，他们也展示了随着纠错码码距（codedistance)——一组逻辑比特中，容许物理比特出错的最大数——增大，逻辑比特错误率随之降低的实验结果，与理论预测相吻合。而这些复杂的操作类型，更展示了整个系统运行复杂量子线路的能力。希望，限制纵观整个实验流程，研究团队不仅验证了中性原子阵列的优势，也展现了它实现容错通用量子计算的巨大潜力。在存储区，静静等待的原子可以长时间地维持相干态，保持低错误率；在纠缠区，可以用一束激光实现多对原子的并行纠缠；而原子能够大规模地自由移动，也展现了这一体系的全联通性。但容错本身对于物理比特资源的消耗实在过于庞大，为了保证尽可能低的错误率，理论上编码逻辑比特的物理比特数量也需要尽可能地多。从未来量子计算机需要数以万计个逻辑比特，才能实现超越经典计算的科学目标来看，这需要物理体系具有非常好的可扩展性——很容易扩增量子比特的数量。从某种程度上看，中性原子体系也很好地契合了这一条件。中心原子体系的限制并不在资源，“磁光阱中有大把原子供我们随意抓取，关键是我们能抓取多少原子，”胡嘉仲说道，“这取决于有多少光镊，而抓太多，我们显微镜的观测视野可能又看不到了。”可以说，激光器、光镶阵列、显微镜等光学系统，才是限制这一体系发展的技术瓶颈，而这些瓶颈的突破并非遥不可及。可以预见，在未来的5到10年中，随着光镊阵列操纵技术的不断发展，中性原子阵列的规模也将随之扩展。事实上，就在2023年10月，一家名为AtomComputing的量子计算初创公司宣布，他们成功搭建了全球首个量子比特数量突破1000的量子计算机。该平台正是基于中性原子阵列搭建，这项突破或许已经充分展示了这一体系的可扩展性。而从QuEra（由哈佛团队的三位实验室负责人共同创建）公司在今年年初发布的量子计算路线图来看，他们也正信心满满地规划着，预计将在2026年将原子阵列量子计算机的物理比特数量扩增至10000个以上，同时将稳定且低错误率的逻辑比特数量扩增至100个。这是一项令人忍不住翘首以盼的目标：当我们能在某个可自由编程的架构上，拥有上百个低错误率的逻辑比特，就已经可以称之为婴儿版本的容错通用量子计算机了。在这个通用程度较低的机器上，我们能得到一些无需经典计算预测的可靠结果，完成一些复杂度较低的计算操作。尽管这距离终极目标依然很遥远，却终于是从NISQ时代初步迈入了容错通用量子计算的时代。不过，一些科学家并不这样乐观。他们指出，哈佛团队的演示工作的确向实现容错通用量子计算迈出了一大步，展现了中性原子体系的潜力，但该体系的发展也存在一些挑战，并不一定能轻松地发展至真正的拐点。比如，在这项工作中，研究人员在逻辑比特上演示的量子逻辑门均为横向门，但可以执行任意量子计算操作的通用门集合中却不只有横向门，其他的量子逻辑门若想保证保真度足够高，通常需要消耗大量宝贵的物理比特资源。然而，扩增物理比特数量的过程本就极具挑战。如何保证在扩增数量的同时，不会降低单个物理比特的保真度，将是他们亟需解决的重点。即使攻克了扩增量子比特数