随着量子信息科学的飞速发展,实现可扩展且高效的量子计算平台正成为全球研究的焦点。近日,由哈佛大学与麻省理工学院等机构联合开展的研究团队,成功打造出一种能够连续运行、保持高度相干的3000量子比特系统,这一突破为量子计算乃至其他量子技术领域带来了革命性的进展。中性原子因其天然的单粒子可控性及较长的相干时间,已成为量子科学的理想载体。然而,如何解决包括原子损失、相干时间有限和操作周期受限等挑战,已成为制约大规模量子系统突破的关键瓶颈。此次研究团队通过创新设计,克服了这些瓶颈,展示了高达3万量子比特每秒的初始化重载速率,且能维持3000量子比特阵列在超过两小时的时间里稳定工作,极大提升了系统的使用效率和操作深度。核心机制在于采用双层光学晶格传送带架构,先将大量冷却的87Rb原子高效地运输至科学实验区,构成原子存储库。
通过交叉声光偏转器动态操控的光镊阵列快速且连续地从该存储库中提取单个原子,实现"暗"加载,即无需额外激光冷却即可捕获原子。这一做法避免了光散射对已存储量子比特的干扰,令系统在加载新原子时保持极高的相干性。随后,提取的原子被送入准备区进行激光冷却、状态成像以及量子比特初始化,保证超过98%的读写保真度。接着,带有高相干性的量子比特被逐步转移并排列成具有3240个光学陷阱的存储阵列。存储区通过局部空间隔离和能级光移"屏蔽"技术,有效阻挡了准谐振光的散射,进而保护储存量子比特的量子态,使其能在动态去相干处理保护下维持超过秒级的相干时间。通过将存储阵列划分为多个独立子阵列,研究人员实现了循环替换最早使用的量子比特子阵列的并行操作。
此循环机制保证了系统总体上的持续性数据操作能力,避免了传统光学晶格和光镊系统中由于原子损失导致的暂停和重置,大幅提升了周期利用率和量子门执行深度。该体系不仅在量子计算领域展现出巨大潜力,亦有望革新精密测量与量子网络。连续操作的量子原子钟和传感器可以通过消除测量死区与哑时噪声,获得更高的稳定性和灵敏度。同时,持续提供新鲜量子比特流也为远程量子纠缠和量子通信打开了新天地。技术层面,该系统基于复杂的光学控制,包括多光子干涉、相位空间的精确调控和功率均匀化算法,保证了大规模阵列中每个原子受控环境的均一性及复现性。此外,创新的自动调节与校准机制,保证了数小时乃至潜在无限时长的稳定运行。
值得关注的是,该体系达到的单量子比特门保真度接近99.5%,通过结合持续重载与未来门控技术的提升,有望支撑百万级操作的容错量子计算。展望未来,研究团队提出了通过扩大准备区阵列规模、优化读取与重排算法及引入高功率红外激光和新型超透镜元件,进一步提升系统规模和操作速度的具体路径。这些改进预计可将量子比特的重载速率提高五倍以上,迈向数万~数十万量子比特的连续高相干系统。持续稳定地操控如此庞大规模的量子系统,将为构建实用的量子处理器提供坚实基础,推动量子优势及量子优越性走向现实应用,也将引导量子计算向着深电路容错处理、量子错误矫正和灵活编程迈出关键一步。此次实现的3000量子比特连续操作体系,标志着量子技术从实验室验证向实际集成的飞跃。其开创性的架构和持续运行能力不仅推动了学术界对大型量子系统可控性和可靠性的认识,也为业界量子计算硬件开发提供了宝贵的技术范例和创新灵感。
未来几十年,量子技术有望广泛渗透到材料科学、药物设计、金融风险控制以及网络安全等领域,而这一体系所展现出的技术前沿无疑是迈向这些宏大愿景的重要里程碑。持续运行且具备高相干度的量子阵列系统,不仅是量子计算机的核心组件,也是实现高精度测量、量子通信和量子仿真的基础,将为人类探索自然规律和实现新技术革命提供无尽可能。 。
