量子計陣列：容錯量子計算新希望

量子計算QUANTUMCOMPUTING原子陣列：容錯量子計算新希望趙修竹是《環(huán)球科學(xué)》的科學(xué)編輯，主要關(guān)注物理學(xué)和數(shù)學(xué)等話題。量子特性賦予量子計算高速并行的運(yùn)算潛力的同時，也留下了難以解決的弊病。這些脆弱的量子態(tài)極易出錯，導(dǎo)致量子計算的輸出結(jié)果并不可信，也因此有了容錯量子計算的概念。不過，實現(xiàn)容錯機(jī)制對于物理體系的要求極為苛刻，多數(shù)人都認(rèn)為我們或許還需要數(shù)十年才能攻克相關(guān)的技術(shù)瓶頸。最近，一項基于中性原子陣列的突破性進(jìn)展，讓人們看到了在5~10年內(nèi)邁入容錯通用量子計算時代的希望。1981年，在物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼（RichardFeynman）開創(chuàng)性地提出通用量子計算的構(gòu)想后，具有超快并行運(yùn)算潛力的量子計算機(jī)很快成為了萬眾期待的下一代計算設(shè)數(shù)十年的探索，整個領(lǐng)域已經(jīng)抵達(dá)了含噪聲中等規(guī)模量子計算（noisyintermediatescale1,NISQ）的時代，這意味著我們已經(jīng)發(fā)展出了在數(shù)十到數(shù)百個量子比特上運(yùn)行的量子處理器，然會受到噪聲和誤差的顯著影響，而這些錯誤正是讓量子計算的發(fā)展陷入停滯的最大阻礙。量子特性賦予了量子計算高速并行運(yùn)算的潛力，但與此同時，也留下了與之相生的沉疴——脆弱的量子態(tài)極易受環(huán)境噪聲影響而出錯，且它一定會隨時間退相干，失去其量子特性，坍縮至經(jīng)典態(tài)。我們?nèi)粘Ｔ谑褂媒?jīng)典計算機(jī)時，基本可以忽略它出錯的可能，因為其基本單元的錯誤率僅有1014～1013。而對于量子計算，即使是最好的量子比特，其錯誤率也會高達(dá)104～103?？上攵绻荒芙档土孔颖忍氐腻e誤率，任量子計算機(jī)如何“高效”，隨著錯誤的不斷累積，其結(jié)果終將滑向不可靠，成為掉落的達(dá)摩克利斯之劍。科學(xué)家一致認(rèn)為，NISQ應(yīng)朝著容錯通用量子計算(fault-tolerantquantumcomputing,FTQC）發(fā)展，其中容錯正是進(jìn)一步發(fā)展量子計算的關(guān)鍵所在。為此，理論物理學(xué)家提出，可以效仿經(jīng)典計算機(jī)，在運(yùn)算過程中利用冗余比特進(jìn)行檢查和糾錯。就像在公司里，每個人工作時都有可能出錯，但如果一個合作小組中的每個人都遵循特定的工作規(guī)則相互糾錯，就能降低最終成果的錯誤車。類似的，如果將多個物理量子比特編碼為一組，令它們遵循量子糾錯碼“規(guī)則”，實現(xiàn)彼此間的相互糾錯，應(yīng)該能確保容錯量子計算的基本計算單元——邏輯比特的低錯誤率。然而，在短暫的興奮過后，實驗物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，構(gòu)建邏輯比特的方案或許在理論上行之有效，但想要遷移到實際的物理體系中卻并不簡單。近些年，我們見證了不同量子計算體系在各方面的突破性進(jìn)展，可它們幾乎都是在物理比特上直接運(yùn)行，展示編碼邏輯比特的數(shù)量僅有個位數(shù)。這是因為編碼邏輯比特對物理體系的要求非?？量蹋鄶?shù)科學(xué)家都認(rèn)為，我們還需要數(shù)十年才可能攻克實驗上的技術(shù)瓶頸，擴(kuò)增邏輯比特的數(shù)量，實現(xiàn)小規(guī)模的容錯量子計算。然而，美國哈佛大學(xué)和麻省理工學(xué)院的一個聯(lián)合研究團(tuán)隊于2023年12月發(fā)表在《自然》(Nature）的一項新工作，突然將原本數(shù)十年的“日程”進(jìn)度條快速向前拖動了一大截：或許只需要5至10年，我們便能真正踏入容錯通用量子計算的時代。這一次，邏輯比特的數(shù)量竟沖上了兩位數(shù)：研究團(tuán)隊用280個原子量子比特編碼了48個邏輯比特，并在邏輯比特上演示了228個兩比特量子邏輯門操作。而他們的結(jié)果也證實了量子糾錯碼的確能降低錯誤率。與此前其他體系只能演示一兩個邏輯比特相比，這項研究第一次大規(guī)模地在實驗上驗證了糾錯碼的有效性，也第一次展現(xiàn)了容錯量子計算“近在咫尺”的希望。奇特的是，此前當(dāng)人們提及最有希望實現(xiàn)通用量子計算的物理體系時，最耳熟能詳?shù)氖浅瑢?dǎo)量子芯片、離子阱、光量子等平臺：IBM公司的超導(dǎo)量子芯片系統(tǒng)在去年宣布已突破1000個量子比特的關(guān)卡；而Quantinuum公司的離子阱系統(tǒng)已能實現(xiàn)20個比特的全聯(lián)通等。然而在這項研究中，研究團(tuán)隊使用的卻是一種此前在量子計算領(lǐng)域似乎“籍籍無名”的體系：中性原子陣列。自由，聯(lián)通幾乎所有事物，包括我們自己，都是由不顯電性的中性原子構(gòu)成的。通常情況下，原子時刻都在進(jìn)行著無規(guī)則的熱運(yùn)動。但上世紀(jì)卻有理論物理學(xué)家推測，原子在被冷卻到接近絕對零度的超低溫時，會表現(xiàn)出顯著的量子特性，如果能一個個捕獲它們，并精確地操縱這些原子，就能得到研究量子世界的理想實驗平臺。這樣的想法一直吸引著許多理論和實驗的相關(guān)研究。隨著激光冷卻技術(shù)的發(fā)展，漸漸地，物理學(xué)家真的將這樣的構(gòu)想轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實。如今，基于超低溫原子的冷原子體系（也稱中性原子體系），是原子與分子物理學(xué)領(lǐng)域最常用到的實驗平臺。在這個體系中，科學(xué)家會將一團(tuán)原子置于超高真空腔內(nèi)，而后用激光冷卻技術(shù)降低原子的運(yùn)動速率，再使運(yùn)動速率較高的原子蒸發(fā)掉，最終讓原子云整本降至極低的溫度。在獲得超低溫的中性原子后，科學(xué)家會借助磁場以及高度聚焦的激光（也稱為"光鑷"）陣列捕獲一個個原子，健中性原子陣列。在這一過程中，光鑷與原子的一一對應(yīng)，使得只需要移動光鑷，便可以任意地移動原子在空間中的位置，這給予了這個體系極大的自由度。這種能夠移動任意數(shù)量的原子使其相互靠近的特性，也被稱為“全聯(lián)通性”。而全聯(lián)通性正是容錯量子計算對物理體系的要求之一。構(gòu)建邏輯比特往往需要在多個物理比特間實現(xiàn)糾纏或受控邏輯門等復(fù)雜操作，這就要求能在體系中最大程度自由地移動和操縱量子比特。如果這些物理比特?zé)o法自由地靠近，就很難發(fā)揮量子糾錯碼的作用，高效地構(gòu)建邏輯比特。就像在辦公室里，允許自由、精準(zhǔn)的交流才能保證容錯順利進(jìn)行。并非所有體系都能做到"全聯(lián)通性"。比如，在超導(dǎo)體系中，每一個物理量子比特（編碼在含有約瑟夫森結(jié)的超導(dǎo)電路上）都被焊在電路板上。由于空間位置被固定，超導(dǎo)量子比特間若想建立起耦合，就需要預(yù)設(shè)電路。一旦兩個量子比特間的距離過遠(yuǎn)，線路的串?dāng)_會造成極大的影響。這種在聯(lián)通性上的匱乏，導(dǎo)致我們很難在超導(dǎo)體系上看到構(gòu)建邏輯比特的演示。而中性原子體系卻在實驗上具有全聯(lián)通性的優(yōu)勢。阻塞，并行更進(jìn)一步的，全聯(lián)通性還為中性原子體系帶來了另一項優(yōu)勢——高并行性。中性原子體系的量子態(tài)通常編碼在原子核外電子的多能級系統(tǒng)上。利用激光操縱核外電子處于基態(tài)或激發(fā)態(tài)，從而編碼量子信息使得每一個原子都可以成為系統(tǒng)中的一個物理量子比特。但由于不帶電，中性原子間的耦合——實現(xiàn)糾纏的基礎(chǔ)——只能依靠較弱的范德華（范德瓦爾力）相互作用。好在，原子可以通過“變胖”來增強(qiáng)相同距離下微弱的相互作用。在用激光操縱原子核外電子躍遷到激發(fā)態(tài)時，“如果將它從基態(tài)激發(fā)到一個很高很高的能級，就相當(dāng)于使這個原子的電子云變得非常非常巨大，”清華大學(xué)從事冷原子實驗研究的物理學(xué)家胡嘉仲解釋道。這樣，即使原子間的距離保持不變，擴(kuò)大原子外電子的半徑，也能實現(xiàn)原子間強(qiáng)烈的相互作用（實現(xiàn)所謂的糾纏）。一旦某個原子被激發(fā)到胖胖的“巨人”形態(tài)，也稱里德堡態(tài)，在它周圍的一定距離內(nèi)（大于里德堡原子外電子云的半徑，比如在10微米的范圍里），所有其他的原子都不能再通過相同的能量激發(fā)到里德堡態(tài)。就像在相同的距離下，一胖一瘦或兩個瘦瘦的人都可以和平共處，但兩個胖胖的人卻無法共處一樣，這就是里德堡阻塞效應(yīng)。原本耦合作用微弱的中性原子，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的長程相互作用，也讓原子變得對環(huán)境噪聲格外敏感。這些特征使得它非常適用于模擬奇異量子物態(tài)以及開發(fā)量子傳感器等領(lǐng)域。而在量子計算領(lǐng)域中，阻塞效應(yīng)是實現(xiàn)依賴于狀態(tài)（胖子身邊不能出現(xiàn)另一個胖子）的兩比特糾纏或操控的基礎(chǔ)。（兩個比特糾纏！?。┊?dāng)兩個基態(tài)原子彼此靠近，如果用一束特定波長的激光照射這對原子，阻塞效應(yīng)只允許一個原子被激發(fā)到里德堡態(tài)，由此便能在原子對之間建立起糾纏。類似地，通過有選擇性的激發(fā)，可以在量子比特之間實現(xiàn)受控邏輯門等操作。當(dāng)里德堡阻塞效應(yīng)與中性原子陣列的全聯(lián)通性相結(jié)合，便得到了物理操作上的高并行性：通過將原子陣列中的一堆原子靠近另一堆，形成相隔較遠(yuǎn)距離的多個原子對，而后用一束對應(yīng)頻率的激光激發(fā)這些原子對，可以讓很多對原子同時實現(xiàn)糾纏的操作，但每一對之間又相互獨(dú)立。這樣的高并行性操作不僅能夠提升效率，減少復(fù)雜操作的時間，降低錯誤率，也能節(jié)省很多資源?？紤]到中性原子系統(tǒng)的全聯(lián)通性、高并行性，以及相干時間長等諸多優(yōu)勢，理所當(dāng)然地，很早就有物理學(xué)家提出用中性原子系統(tǒng)來實現(xiàn)量子計算。不過遺憾的是，在過去的很長一段時間里，中性原子系統(tǒng)都面臨著執(zhí)行兩比特邏輯門操作精度不夠的障礙。而對于量子計算而言，實現(xiàn)量子比特間的糾纏，執(zhí)行運(yùn)算等基礎(chǔ)操作，都需要用到兩特邏輯門。如果邏輯門操作的保真度低于某個閾值，那無論使用多么高效的糾錯碼，都無法有效降低邏輯比特的錯誤率，更可能是錯上加錯。因此，此前的中性原子系統(tǒng)更多在一些能規(guī)避門操作的領(lǐng)域，比如量子模擬、精密測量等領(lǐng)域發(fā)光發(fā)熱。就在這樣的限制之下，哈佛大學(xué)的米哈伊爾，盧金(MikhailLukin）與馬庫斯．格雷納（MarkusGreiner),以及麻省理工學(xué)院的弗拉丹．武萊蒂奇（MladanVuletic)卻在2015年建立了一個聯(lián)合研究團(tuán)隊，首次提出利用中性原子陣列來搭建量子計算機(jī)。這三位物理學(xué)家各自領(lǐng)導(dǎo)著冷原子物理領(lǐng)域中最優(yōu)秀的理論與實驗團(tuán)隊，他們非常清楚，中性原子系統(tǒng)如果用在量子計算領(lǐng)域，會擁有哪些得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，又面臨著怎樣的技術(shù)瓶頸﹣﹣激光！事實上，阻礙中性原子系統(tǒng)提升邏輯門保真度的關(guān)鍵就在于激光，“我們需要用激光捕獲、冷卻、操控原子最后也是通過光學(xué)讀取結(jié)果，”胡嘉仲講道，“冷原子物理實驗所有的關(guān)鍵步驟都需要操縱光，我們對于一切操作控制的精準(zhǔn)度也都來自光的精準(zhǔn)度?！边@意味著，激光器的質(zhì)量直接決定著實驗中對于原子控制的精度。這意味著，激光器的質(zhì)量直接決定著實驗中對于原子控制的精度。十多年前，中性原子系統(tǒng)中兩比特門操作的保真度遠(yuǎn)不夠高，可如今卻有了突飛猛進(jìn)式的進(jìn)展。這其中的決定性因素有兩個，一是激光調(diào)控技術(shù)的提升，能大幅抑制激光的相位噪聲；二是激光功率的大幅度提升?！凹す夤β侍嵘馕吨僮鲿r間的縮短，過去大家的操作還停留在約10微秒的量級，現(xiàn)在哈佛團(tuán)隊的門操作已經(jīng)縮短到200納秒的時間尺度，時間越長，錯誤就越多。因此功率的提升也能大幅降低噪聲的影響，”胡嘉仲解釋道。開拓科學(xué)前沿總是需要一些前瞻力和敏銳的洞見。在光學(xué)操縱條件遠(yuǎn)沒有達(dá)到量子計算要求之際，哈佛團(tuán)隊仿佛預(yù)見到未來激光器的發(fā)展，隨之開啟了他們的征程。而與此同時，國內(nèi)外從事冷原子物理研的多數(shù)其他團(tuán)隊，對于中性原子系統(tǒng)在量子計算領(lǐng)域中的認(rèn)知更像是一個漸變的程。“2016年左右，哈佛大學(xué)和麻省理工學(xué)院的聯(lián)合研究中心邀請我去做一個報告，當(dāng)時他們?yōu)槲遗帕艘徽炀o密的日程，唯一請我去參觀的就是當(dāng)時還正在搭建中的中性原子陣列實驗室，”清華大學(xué)高等研究院從事冷原子物理理論研究的物理學(xué)家翟薈回憶道，“當(dāng)時我也不是很理解，為什么在那么多更先進(jìn)的實驗室中，專門安排我參觀這個？但當(dāng)我們對這個平臺逐漸了解地更多，從2020年左右開始，我們也開始對這個體系有了預(yù)期。”“激光技術(shù)的發(fā)展其實非常迅速，激光器也逐漸在替換。與五年前相比，現(xiàn)在能獲得的激光不論是在功率還是穩(wěn)定性上都要好很多”，胡嘉仲感慨道。隨著激光器技術(shù)的進(jìn)步，中性原子體系在復(fù)雜邏輯門操作的保真度上，有了質(zhì)的飛躍，一些研究團(tuán)隊漸漸開始意識到這個體系在量子計算領(lǐng)域的潛力。2022年，胡嘉仲與陳文蘭夫婦回國搭建好清華的冷原子物理實驗室后，他們同翟薈以及剛回國的理論物理學(xué)家顧穎飛一拍即合，成立了“清華里想團(tuán)隊”，將他們的科學(xué)目標(biāo)部分轉(zhuǎn)移到了搭建原子陣列量子計算平臺上。蓄勢，突破在業(yè)內(nèi)人士看來，哈佛團(tuán)隊的重磅進(jìn)展并不是一蹴而就。作為原子陣列量子計算領(lǐng)域的領(lǐng)軍者，他們集結(jié)了最優(yōu)秀的一批研究人員，一直在以驚人的速度推進(jìn)，并在近兩年實現(xiàn)了一系列關(guān)鍵性的突破。有了這些進(jìn)展的鋪墊，水到渠成地，研究團(tuán)隊在2023年末將280個物理比特成功編碼為最多48個邏輯比，且在此基礎(chǔ)上，演示了兩百多個雙邏輯比特橫向門操作而這項工作最引人關(guān)注的。便是對量子糾錯碼有效性的首次大規(guī)模實驗驗證。量子糾錯碼是理論物理學(xué)家阿列克謝．基塔耶夫(AlexeiKitaev)和謝爾蓋．布拉維（SergeyBravyi）于1998年提出的概念，它本質(zhì)上描述的是一個邏輯比特單元內(nèi)，多個物理比特之間的糾錯機(jī)制。理論上，當(dāng)物理量子比特的錯誤以及邏輯門操作引入的錯誤率，均低于某個閾值后，量子糾錯碼就能發(fā)揮作用，使基于邏輯比特執(zhí)行運(yùn)算的錯誤率低于直接在物理比特上運(yùn)行的錯誤率。為了實現(xiàn)復(fù)雜的編碼過程，研究團(tuán)隊基于光鑷陣列捕獲的280個原子，設(shè)置了包含三個區(qū)域的邏輯處理器架構(gòu)：用于"停放"不參與計算的量子比特的存儲區(qū)；用于實現(xiàn)并行糾纏、邏輯門操作的糾纏區(qū)；以及讀取區(qū)﹣﹣這是為了避免干擾仍在運(yùn)行的量子比特。在這個架構(gòu)中，他們測試了用表面碼（surfacecode，由基塔耶夫提出，在二維晶格上定義的一系列量子糾錯碼）和色碼（colourcode）編碼3、6、12、24以及48個邏輯比特的系統(tǒng)，也探索了不同的算法演示；還在48個邏輯比特上演示了多達(dá)數(shù)百個邏輯比特間的邏輯門操作，以及非Clifford量子門操作。與用物理比特直接執(zhí)行運(yùn)算的體系相比，研究團(tuán)隊編碼邏輯比特的系統(tǒng)出錯的概率均有所降低。盡管錯誤率降低的程度沒能達(dá)到理論上的指數(shù)級，但已能展示糾錯碼與邏輯比特在容錯方面的有效性。此外，他們也展示了隨著糾錯碼碼距（codedistance)——一組邏輯比特中，容許物理比特出錯的最大數(shù)——增大，邏輯比特錯誤率隨之降低的實驗結(jié)果，與理論預(yù)測相吻合。而這些復(fù)雜的操作類型，更展示了整個系統(tǒng)運(yùn)行復(fù)雜量子線路的能力。希望，限制縱觀整個實驗流程，研究團(tuán)隊不僅驗證了中性原子陣列的優(yōu)勢，也展現(xiàn)了它實現(xiàn)容錯通用量子計算的巨大潛力。在存儲區(qū)，靜靜等待的原子可以長時間地維持相干態(tài)，保持低錯誤率；在糾纏區(qū)，可以用一束激光實現(xiàn)多對原子的并行糾纏；而原子能夠大規(guī)模地自由移動，也展現(xiàn)了這一體系的全聯(lián)通性。但容錯本身對于物理比特資源的消耗實在過于龐大，為了保證盡可能低的錯誤率，理論上編碼邏輯比特的物理比特數(shù)量也需要盡可能地多。從未來量子計算機(jī)需要數(shù)以萬計個邏輯比特，才能實現(xiàn)超越經(jīng)典計算的科學(xué)目標(biāo)來看，這需要物理體系具有非常好的可擴(kuò)展性——很容易擴(kuò)增量子比特的數(shù)量。從某種程度上看，中性原子體系也很好地契合了這一條件。中心原子體系的限制并不在資源，“磁光阱中有大把原子供我們隨意抓取，關(guān)鍵是我們能抓取多少原子，”胡嘉仲說道，“這取決于有多少光鑷，而抓太多，我們顯微鏡的觀測視野可能又看不到了?！笨梢哉f，激光器、光鑲陣列、顯微鏡等光學(xué)系統(tǒng)，才是限制這一體系發(fā)展的技術(shù)瓶頸，而這些瓶頸的突破并非遙不可及?？梢灶A(yù)見，在未來的5到10年中，隨著光鑷陣列操縱技術(shù)的不斷發(fā)展，中性原子陣列的規(guī)模也將隨之?dāng)U展。事實上，就在2023年10月，一家名為AtomComputing的量子計算初創(chuàng)公司宣布，他們成功搭建了全球首個量子比特數(shù)量突破1000的量子計算機(jī)。該平臺正是基于中性原子陣列搭建，這項突破或許已經(jīng)充分展示了這一體系的可擴(kuò)展性。而從QuEra（由哈佛團(tuán)隊的三位實驗室負(fù)責(zé)人共同創(chuàng)建）公司在今年年初發(fā)布的量子計算路線圖來看，他們也正信心滿滿地規(guī)劃著，預(yù)計將在2026年將原子陣列量子計算機(jī)的物理比特數(shù)量擴(kuò)增至10000個以上，同時將穩(wěn)定且低錯誤率的邏輯比特數(shù)量擴(kuò)增至100個。這是一項令人忍不住翹首以盼的目標(biāo)：當(dāng)我們能在某個可自由編程的架構(gòu)上，擁有上百個低錯誤率的邏輯比特，就已經(jīng)可以稱之為嬰兒版本的容錯通用量子計算機(jī)了。在這個通用程度較低的機(jī)器上，我們能得到一些無需經(jīng)典計算預(yù)測的可靠結(jié)果，完成一些復(fù)雜度較低的計算操作。盡管這距離終極目標(biāo)依然很遙遠(yuǎn)，卻終于是從NISQ時代初步邁入了容錯通用量子計算的時代。不過，一些科學(xué)家并不這樣樂觀。他們指出，哈佛團(tuán)隊的演示工作的確向?qū)崿F(xiàn)容錯通用量子計算邁出了一大步，展現(xiàn)了中性原子體系的潛力，但該體系的發(fā)展也存在一些挑戰(zhàn)，并不一定能輕松地發(fā)展至真正的拐點。比如，在這項工作中，研究人員在邏輯比特上演示的量子邏輯門均為橫向門，但可以執(zhí)行任意量子計算操作的通用門集合中卻不只有橫向門，其他的量子邏輯門若想保證保真度足夠高，通常需要消耗大量寶貴的物理比特資源。然而，擴(kuò)增物理比特數(shù)量的過程本就極具挑戰(zhàn)。如何保證在擴(kuò)增數(shù)量的同時，不會降低單個物理比特的保真度，將是他們亟需解決的重點。即使攻克了擴(kuò)增量子比特數(shù)