加州理工学院的物理学家们创造了迄今为止最大的中性原子量子计算机，在一个单一的阵列中捕获了6100个铯原子作为量子比特。该结果于周四在Nature上发表，代表了相较于之前仅包含数百个量子比特的阵列的显著提升。

研究人员将他们的系统从过去实验中典型的数百个量子比特扩展到超过6000个，同时保持了实用机器所需的稳定性和精确度。

该团队表示，他们实现了约13秒的相干时间——几乎是过去实验的10倍，同时以99.98%的准确率执行单量子比特操作。

量子比特，或称量子位，是量子计算机中的基本信息单位。与经典比特（只能是0或1）不同，量子比特可以同时处于两种状态的叠加中，从而允许它进行许多并行计算。挑战在于保持这种微妙状态的稳定，足够长的时间以进行计算。

这种稳定性被称为“相干性”，它不断受到噪声、热量或杂散电磁场的威胁。量子比特保持相干的时间越长，量子处理器在出现错误之前能够执行的操作就越复杂和可靠。

“这是中性原子量子计算的一个激动人心的时刻，”加州理工学院物理学教授、该项目的首席研究员曼努埃尔·恩德雷斯在一份声明中表示。“我们现在可以看到通往大型纠错量子计算机的路径。构建模块已经到位。”

然而，根据参与该项目的加州理工学院研究生埃利·巴泰尔的说法，时间只是量子过程中的一个因素。

“你需要的是相对于操作持续时间非常长的相干时间，”巴泰尔在接受Decrypt采访时表示。“如果你的操作是一个微秒，而你有一秒的相干时间，那意味着你可以进行大约一百万次操作。”

在不牺牲保真度的情况下扩展

研究人员使用了“光学镊子”，这是一种高度聚焦的光束，来抓取和定位单个原子。通过将单个激光分裂成12000个这样的微小光陷，他们能够在真空室内稳定地保持6100个原子。

“如果你使用合适波长的激光，你可以使光对原子具有吸引力，从而创建一个陷阱，”巴泰尔说。“如果你将光束限制在一个非常小的点上，大约一个微米，你可以吸引并捕获许多原子。”

该团队展示了他们可以在阵列中移动原子而不破坏其脆弱的量子状态，称为叠加态。能够在保持量子比特稳定的同时移动它们，这可能使未来量子计算机中的错误更容易被纠正。

中性原子量子系统作为超导电路和被捕获离子平台的可行竞争者，正受到越来越多的关注。它们的一个独特优势是物理重构能力：在计算过程中，原子可以通过移动光学陷阱重新排列，这提供了动态连接性，而刚性硬件拓扑难以匹敌。到目前为止，大多数中性原子阵列仅包含数百个量子比特，使得加州理工学院的6100量子比特里程碑成为一个重大进展。

全球竞赛

这一结果出现在全球各地的公司和实验室正在扩大量子机器的背景下。IBM承诺到2033年推出一台100,000量子比特的超导计算机，而像IonQ和QuEra这样的公司正在开发离子陷阱和中性原子的方法。位于科罗拉多州的Quantinuum计划在2029年前交付一台完全容错的量子计算机。

下一个里程碑是展示大规模的错误纠正，这将需要从数千个物理量子比特中编码逻辑量子比特。如果量子计算机要解决化学、材料等领域的实际问题，这一点至关重要。

“传统计算机每10到17次操作会出错一次，”巴泰尔说。“量子计算机的准确性远不及此，我们不指望仅通过硬件达到这个水平。”

加州理工学院的团队计划通过纠缠连接量子比特，这是进行全规模量子计算的必要步骤。

虽然加州理工学院的6100量子比特阵列尚未提供实用的量子计算机，但通过在一个系统中结合规模、准确性和相干性，它设定了一个新的基准，并加强了中性原子作为量子计算领先平台的论据。

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