“光镊”技术构建出最大量子比特阵列

xinwen.mobi · 发表于 2025-9-30 00:29:22

2025年9月，美国加州理工学院的科学家在《自然》杂志发表重磅成果，利用“光镊”技术成功构建出包含6100个超冷中性铯原子的量子比特阵列，刷新了中性原子量子比特阵列的规模纪录。这一突破不仅彰显了中性原子量子计算路线的巨大潜力，也为量子计算的规模化发展提供了全新可能。技术原理与实验细节“光镊”技术的核心是通过高度聚焦的激光束形成微小的势能陷阱，像镊子一样捕获并操控微观粒子。在该实验中，研究团队将单一激光束分割为12000个独立的“光镊”，在真空腔内精准捕获6100个超冷铯原子，并将其排列成规整阵列。此前的中性原子量子比特阵列规模纪录仅为1180个，此次突破实现了数量级的跨越。值得关注的是，该阵列在规模提升的同时，量子比特质量未受影响，反而实现了性能飞跃：其量子叠加态的相干时间达到约13秒，较以往类似阵列延长近10倍；单量子比特操控精度高达99.98%，为后续复杂量子运算奠定了基础。此外，研究团队还实现了原子在阵列中数百微米的移动，且保持量子态稳定，这一特性为灵活开展量子纠错提供了关键支持。技术优势与行业定位在全球量子计算的多技术路线竞争中，中性原子路线凭借“光镊”技术的特性展现出独特优势：规模化潜力：相较于超导量子比特（受限于芯片集成度）和离子阱（操控难度随数量增加急剧上升），光镊阵列可通过增加激光束数量实现量子比特的快速扩展，且实验中12000个“光镊”仅使用6100个的现状，表明其仍有巨大扩容空间。高容错适配性：可移动的量子比特特性，能更灵活地构建量子纠错编码结构，而13秒的相干时间也为纠错操作提供了充足窗口，有助于解决量子计算中“噪声干扰”这一核心难题。不过，当前量子计算领域仍以超导和离子阱路线为主流。例如，哈佛大学-麻省理工学院联合团队此前实现了3000比特阵列的连续运行，中国科大团队则通过AI技术优化原子重排，将千级原子阵列的准备时间压缩至0.06秒。多种技术路线各有所长，未来可能出现融合互补的混合方案。应用前景与后续挑战该成果的短期价值在于推动量子纠错技术的突破。量子计算实用化的关键障碍是量子纠错，而主流纠错协议需数千个物理量子比特才能编码百余个逻辑量子比特，此次6100比特阵列的出现，首次为大规模量子纠错实验提供了硬件基础。研究团队计划下一步实现数千个物理量子比特的纠缠，探索新物态、模拟量子引力场等前沿科学问题。长期来看，该技术可能在量子模拟、新材料设计、密码学等领域发挥重要作用。例如，通过大规模量子比特阵列模拟复杂分子结构，加速药物研发和催化剂设计进程。但要实现实用化量子计算机，仍需克服多重挑战：如何进一步提升多量子比特纠缠的保真度、如何实现量子比特阵列的动态重构、如何降低系统误差以满足容错量子计算的要求等。行业影响与未来方向此次突破标志着中性原子量子计算从“小规模验证”迈向“规模化探索”阶段。专家指出，尽管该成果意义重大，但距离成熟可用的量子计算机仍有较长距离。未来的发展可能呈现两大趋势：一是技术路线的融合，例如将光镊阵列与超导量子比特结合，兼顾规模化与运算速度；二是硬件与算法的协同优化，通过AI技术提升量子比特操控效率，降低系统误差。随着各国在量子计算领域的竞争日趋激烈，光镊技术的这一突破或将重新调整行业格局，推动中性原子路线成为量子计算规模化竞赛的核心选手之一。

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