近日，我國(guó)量子計(jì)算領(lǐng)域技術(shù)研究取得突破性進(jìn)展。相關(guān)實(shí)驗(yàn)利用人工智能技術(shù)，實(shí)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(shí)間消耗，在60毫秒內(nèi)成功構(gòu)建了多達(dá)2024個(gè)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(jì)錄。

　　

 

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

　　8月9日，這項(xiàng)由上海量子科學(xué)研究中心(合肥實(shí)驗(yàn)室上海基地)、上海人工智能實(shí)驗(yàn)室、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)聯(lián)合開展的研究成果，發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》上，并被美國(guó)物理學(xué)會(huì)《物理》作為研究亮點(diǎn)專門報(bào)道。

　　審稿人高度評(píng)價(jià)這項(xiàng)研究工作，認(rèn)為這一工作“標(biāo)志著原子相關(guān)量子物理領(lǐng)域在計(jì)算效率和實(shí)驗(yàn)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(shí)用的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于原子陣列實(shí)驗(yàn)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(jì)算研究突破

　　上海人工智能實(shí)驗(yàn)室青年科學(xué)家、上海創(chuàng)智學(xué)院全時(shí)導(dǎo)師鐘翰森是該研究的負(fù)責(zé)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(xiàng)工作相當(dāng)于AI和量子結(jié)合相對(duì)早期的探索。這次探索針對(duì)的是中性原子量子計(jì)算領(lǐng)域，上海在這一領(lǐng)域已率先開展布局。

　　因?yàn)榫哂袃?yōu)異的擴(kuò)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(jì)算和量子模擬平臺(tái)。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(jī)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(jìn)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(zhǎng)的時(shí)間復(fù)雜度、原子丟失、計(jì)算速度等，陣列規(guī)模停留在幾百個(gè)原子的水平，難以進(jìn)一步擴(kuò)展。AI的發(fā)展為研究團(tuán)隊(duì)提供了新的思路，為了攻克這個(gè)難題，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地研發(fā)AI技術(shù)，實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)高速空間光調(diào)制器進(jìn)行動(dòng)態(tài)刷新，通過對(duì)光鑷陣列位置和相位的精確控制，同時(shí)移動(dòng)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(dòng)原子，只能一個(gè)個(gè)原子依次進(jìn)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(shí)現(xiàn)原子同步移動(dòng)。

　　

 

　　實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

　　在該工作中，研究團(tuán)隊(duì)演示了二維和三維原子陣列的任意構(gòu)型重排，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)2024個(gè)原子的無缺陷陣列，總耗時(shí)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(shí)保持不變，未來可以直接應(yīng)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(dá)99.97%，雙比特門保真度達(dá)99.5%，探測(cè)保真度達(dá)99.92%，已追平以美國(guó)哈佛大學(xué)為代表的國(guó)際最高水平，為構(gòu)建基于中性原子陣列的容錯(cuò)通用量子計(jì)算機(jī)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

　　中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)上海研究院執(zhí)行院長(zhǎng)、上海量子科學(xué)研究中心副主任陸朝陽表示，這項(xiàng)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(kuò)展的三大優(yōu)點(diǎn)。在他看來，這是可以寫進(jìn)中性原子量子計(jì)算機(jī)發(fā)展史的里程碑技術(shù)突破，而這項(xiàng)突破“源自中國(guó)”。

　　量子研究的未來

　　2024個(gè)原子的無缺陷陣列已經(jīng)刷新世界紀(jì)錄，而對(duì)于這項(xiàng)重排技術(shù)來說，2024還遠(yuǎn)不是上限。在算力角度上，目前實(shí)現(xiàn)2024個(gè)原子陣列重排的，僅需兩張英偉達(dá)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(shí)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(kuò)大，還需要解決多個(gè)領(lǐng)域的問題。目前在算法模擬環(huán)境中驗(yàn)證，把2024個(gè)原子擴(kuò)大到數(shù)萬個(gè)不是問題，而要在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，下一步必須提高激光器的功率，測(cè)試更多極限性能，進(jìn)一步提升平臺(tái)能力。

　　鐘翰森表示，單項(xiàng)指標(biāo)目前已經(jīng)取得領(lǐng)先，但從單項(xiàng)指標(biāo)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(tuán)隊(duì)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(jì)算機(jī)還有多遠(yuǎn)呢?在未來3-5年的時(shí)間內(nèi)，量子計(jì)算機(jī)能夠在一些狹窄的領(lǐng)域作為科學(xué)工具幫助人們開展研究，而要實(shí)現(xiàn)密碼破譯等大規(guī)模應(yīng)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(tuán)作戰(zhàn)”。現(xiàn)階段，量子計(jì)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(dòng)了量子計(jì)算機(jī)整機(jī)的研制，目前正在策劃量子計(jì)算未來產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)的建設(shè)。市科委相關(guān)處室負(fù)責(zé)人表示，接下來要持之以恒支持整機(jī)研制，力爭(zhēng)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。