解放日报·上观新闻记者今天从上海市科委获悉，上海量子科学研究中心（合肥实验室上海基地）、上海人工智能实验室、中国科学技术大学联合团队利用人工智能技术，在60毫秒内成功构建多达2024个原子的无缺陷二维和三维原子阵列，创造了中性原子体系无缺陷原子阵列规模的世界纪录，为大规模中性原子量子计算奠定了关键技术基础。相关论文近日以“编辑推荐”形式发表在国际期刊《物理评论快报》上，美国物理学会期刊《物理》报道了这一研究亮点。
量子计算被当代物理学界视作“圣杯”，也是新一轮科技革命的战略制高点。它遵循量子力学规律，有望在化学催化、材料合成、药物研发等多个领域提供远超经典计算机的算力。
目前，国际上有多条研发量子计算原型机的技术路线。与超导、光量子、离子阱等技术路线相比，中性原子可谓“后起之秀”。2023年12月，哈佛大学、麻省理工学院联合团队的成果登上《自然》杂志，他们用中性原子体系研发出量子计算原型机，它有48个逻辑量子比特，展示了这一技术路线的巨大潜力。
中性原子量子计算实验装置
“所谓中性原子，是整体呈电中性的原子。科学家可以用激光操控中性原子的量子态，将它作为量子计算机的基本单元——量子比特。”中国科学技术大学上海研究院执行院长、上海量子科学研究中心副主任陆朝阳解释，中性原子体系使用光镊阵列囚禁中性原子，首先要通过重排技术，将初始随机填充的原子阵列转换成无缺陷原子阵列，在此基础上进行量子逻辑门操作。传统的重排方法受限于随阵列规模增长的时间复杂度、原子丢失、计算速度等因素，阵列规模停留在几百个原子的水平，难以进一步扩展。
可否用人工智能破解这个难题？上海人工智能实验室青年科学家、上海创智学院全时导师钟翰森带领团队，通过大数据训练和算法创新，开发出一个专用大模型。它能实时驱动高速空间光调制器进行动态刷新，通过对光镊阵列位置和相位的精确控制，同时移动所有原子。这项国际原创研究能以极快速度、高精度地完成二维和三维原子阵列任意构型重排。由于是同时移动所有原子，随着原子阵列规模不断扩大，这种“并行式”重排方法的60毫秒耗时会保持不变，所以未来可直接应用于数万原子规模的无缺陷阵列重排。
数千原子无缺陷二维和三维阵列重排实验结果图
在《物理》杂志网站上，中国科研团队展示了一段以“薛定谔的猫”为主题的动画。“薛定谔的猫”是量子力学的著名思想实验，动画中的猫和文字都由铷原子排列构成，它们连续变化，形象地展示了科研团队任意重排中性原子的本领。
“薛定谔的猫”动画截屏画面之一
“薛定谔的猫”动画截屏画面之二
在性能指标方面，这一我国最大规模原子量子计算系统的单比特门保真度达99.97%，双比特门保真度达99.5%，探测保真度达99.92%，已追平以哈佛大学为代表的国际最高水平，为构建基于中性原子阵列的容错通用量子计算机奠定了基础。
《物理评论快报》审稿人认为，这项成果标志着原子相关量子物理领域在计算效率和实验可行性方面的一次重大飞跃，作为一种创新方法，它具有明确且实用的优势，对原子阵列实验的研究群体具有重要吸引力。
市科委相关处室负责人介绍，量子计算是上海未来产业布局发展的重点方向之一，上海组建了量子计算项目经理团队，已形成未来产业培育方案，正在进行全要素和全链条布局，包括量子计算整机、仪器设备、算法软件、人才引育、应用场景、高质量孵化器和未来产业集聚区。“我们将与中国科大、合肥实验室等单位继续紧密合作，把长三角打造成量子科技和产业高地。”
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