中性原子量子計算機

中性原子量子計算機（Neutral atom quantum computer）是一種新興的量子計算平台。它利用雷射冷卻和光鑷或光晶格等技術，將單個中性原子囚禁並排列成可控的陣列，並以這些原子的內部能級作為量子比特（qubit）。通過精確調控的雷射或微波場，可以對這些原子量子比特進行初始化、執行量子邏輯門操作以及最終的量子態讀取，從而實現量子計算任務。

中性原子量子計算平台展現出多項顯著優勢。首先，自然界中的同種原子是全同粒子，這確保了量子比特物理性質的高度一致性，避免了製造差異帶來的問題。其次，中性原子陣列具有良好的可擴展性，可以通過光鑷等技術相對容易地擴展到數百甚至數千個量子比特的規模。此外，通過將原子激發到高激發態，即里德堡態（Rydberg state），可以實現原子間強且可控的長程相互作用，這是實現高保真度兩量子比特門的關鍵機制。中性原子的特定內部能級，如超精細「鍾態」（clock states）或核自旋態，具有非常長的相干時間，有利於保持量子信息的完整性。光鑷陣列還賦予了系統高度的可重構性，允許在計算過程中動態地重新排列原子，為實現高效演算法和先進的量子糾錯方案提供了極大的靈活性。儘管原子本身需要深度冷卻，但量子計算機的核心操作通常在室溫真空系統內運行，無需像超導量子計算那樣維持在極低溫（毫開爾文量級）的環境中。

中性原子量子計算是當前量子信息科學中一個非常活躍和快速發展的研究領域。從大約2000年左右提出的利用里德堡原子特性實現量子門的基礎概念，到2023年底至2024年初宣布的基於可重構原子陣列演示包含多達48個邏輯量子比特的量子處理器，這一領域在過去二十多年間取得了巨大的進展。這項由哈佛大學、QuEra Computing、麻省理工學院及美國國家標準與技術研究院（NIST）等機構合作完成的里程碑式工作，成功運行了大規模量子演算法，並展示了在含噪聲中等規模量子（NISQ）時代之後構建容錯量子計算機的潛力。相關成果發表於《自然》雜誌。這種從基本概念到複雜邏輯量子比特演示的快速發展，凸顯了中性原子平台在可擴展性和實現量子糾錯方面的巨大潛力，表明其固有的物理優勢正被有效地轉化為實驗上的突破。

除了在通用量子計算方面的進展，中性原子平台還在量子模擬、量子傳感等多個前沿方向展現出廣闊的應用前景。

## 架構

中性原子量子計算機的架構依賴於原子物理學和雷射技術的多項進展，核心環節包括原子的有效囚禁與冷卻、量子比特陣列的構建、量子比特的編碼方式以及量子態的精確初始化與讀出。從早期的光晶格方案到如今主流的動態可重構光鑷陣列，其架構的演進反映了對更高控制精度、可擴展性和靈活性的追求，這為實現複雜的量子演算法和糾錯碼奠定了基礎。

### 原子囚禁、冷卻與陣列構建

#### 磁光阱

磁光阱（Magneto-Optical Trap，簡稱MOT）通常是中性原子量子計算實驗流程的第一步，用於從背景原子蒸氣中冷卻和預囚禁原子，形成一個溫度在微開爾文量級的低溫原子云。例如，在典型的銣原子實驗中，原子蒸氣首先被雷射冷卻至接近絕對零度。一些實驗裝置採用雙MOT系統，例如同時冷卻和囚禁銣（Rb）和鉀（K）原子。這些預冷卻的原子隨後被加載到更為精確的囚禁勢中，如光鑷陣列或光晶格。

#### 光鑷陣列

光鑷（Optical Tweezer）技術利用高度聚焦的雷射束產生的偶極勢阱來囚禁和固定單個中性原子，每個被囚禁的原子可以作為一個量子比特。通過聲光偏轉器（AOD）或空間光調製器（SLM）等器件，可以產生並控制大量光鑷，從而構建出一維、二維甚至三維的原子陣列。

一個關鍵的技術是逐原子構建（atom-by-atom assembly）。由於初始加載到光鑷陣列中的原子通常是隨機的，會導致陣列中存在空位缺陷。通過成像檢測每個光鑷中是否裝載了原子，然後利用一個可移動的光鑷將多餘的原子拾取並填充到空位中，可以製備出無缺陷的、具有任意預定構型的原子陣列。這一技術對於構建大規模、可編程的量子處理器至關重要。

光鑷陣列的另一個核心優勢在於其動態可重構性（dynamic reconfigurability）。在量子計算過程中，可以通過移動光鑷來改變原子（量子比特）間的相對位置和相互作用的連接性。這種動態調控能力對於優化特定量子演算法的執行效率，以及實現某些需要特定幾何構型的量子糾錯碼（如表面碼或顏色碼）具有重要意義。

#### 光晶格

光晶格（Optical Lattice）是另一種囚禁中性原子的成熟技術，它通過多束雷射束在空間干涉形成周期性的勢阱陣列，原子被囚禁在這些勢阱的格點上。早在1999年，布倫南 (Gavin K. Brennen)等人就提出了在遠失諧勢阱（far-off-resonance trap，FORT）中囚禁中性原子來實現量子邏輯門的方案。他們指出，中性原子與環境的耦合較弱，可以有效抑制退相干；同時，光晶格天然支持對大量原子進行並行操作，具有良好的可擴展性潛力。緊接著在2000年，布里格爾（Hans Jürgen Briegel）及其合作者進一步發展了利用原子間的冷控碰撞（cold controlled collisions）在光晶格和磁微阱中實現中性原子糾纏的方法。

### 量子比特編碼

在中性原子量子計算機中，量子比特的資訊被編碼在單個原子的內部能級上。根據所選原子種類（如鹼金屬、鹼土金屬等）及其能級結構的不同，主要有兩種編碼方式：

#### 超精細能級量子比特

這種編碼方式常用於鹼金屬原子，如銣（Rb）和銫（Cs）。量子比特通常選擇原子基態的兩個具有長壽命的超精細結構能級。例如，在實驗中廣泛使用的87Rb原子中，可以選擇其$5S_{1/2}$基態的兩個磁不敏感的「鍾態」（clock states）$|F=1, m_F=0\rangle$和$|F=2, m_F=0\rangle$作為量子比特的$|0\rangle$和$|1\rangle$態。這些能級對外界磁場的一階塞曼效應不敏感，因此具有較長的相干時間。

#### 核自旋量子比特

對於某些具有非零核自旋的原子種類，例如類鹼土金屬原子鐿-171（171Yb）或某些鹼土金屬（如鍶）的同位素，可以將量子比特編碼在其核自旋態上。171Yb 原子的核自旋為$I=1/2$，天然構成一個理想的兩能級系統。核自旋量子比特的一個重要優勢在於其核磁矩遠小於電子磁矩，使得它們對外部磁場環境噪聲的敏感度極低，從而能夠實現非常長的相干時間。對於處於電子總角動量為零的基態的原子，其核自旋由於缺乏超精細耦合，對光阱引起的退相干也表現出良好的魯棒性。171Yb 的核自旋量子比特已被證明具有快速、高保真度的控制和讀出特性。

### 初始化與讀出

#### 初始化

在進行量子計算之前，需要將所有量子比特製備到一個確定的初始量子態，通常是計算基矢的$|0\rangle$態。這一般通過光抽運（optical pumping）技術實現。光抽運利用特定頻率和偏振的雷射與原子相互作用，通過多次吸收和自發輻射過程，將原子布居數泵浦到目標能級。實驗中，量子態製備保真度可高達$0.997(1)$。

#### 讀出

量子計算結束後，需要測量每個量子比特的最終狀態以獲得計算結果。中性原子量子計算機中常用的讀出方法是共振熒成像測量（resonance fluorescence measurement）。該方法利用態選擇性散射：向原子發射一束近共振的探測雷射，如果原子處於與雷射共振的能級（例如$|1\rangle$態），它會吸收並重新發射光子，產生螢光；如果原子處於非共振能級（例如$|0\rangle$態），則幾乎不散射光子。

收集到的螢光信號通常由高靈敏度的相機（如EMCCD相機）成像，從而並行地讀出整個原子陣列的狀態。在某些實驗方案中，還會結合態選擇性推出（state-selective push-out）技術，即通過雷射將處於特定態的原子從陷阱中「推」出去，隨後通過成像檢測原子是否存在來判斷其初始量子態。對於鹼土金屬里德堡原子，還可以利用其雙價電子結構，通過自電離檢測（auto-ionization detection）實現高效的里德堡態探測。

## 單量子比特門

單量子比特門是對單個量子比特執行的么正操作。在中性原子量子計算機中，單量子比特門主要分為全局門和單點尋址門兩大類。

### 全局門與單點尋址門

全局單量子比特門（Global Single-Qubit Gates）是指同時對量子比特陣列中的所有原子施加相同的量子操作。對於編碼在超精細能級的量子比特（如銣、銫），通常使用微波場來實現全局旋轉。這種方法易於擴展到大規模陣列。

單點尋址單量子比特門（Site-Addressed Single-Qubit Gates）是指能夠獨立地對陣列中選定的單個量子比特進行操作。實現這一目標的主要手段是利用聚焦雷射束。一種常用技術是，首先施加一個全局驅動場（如微波場），然後用一束緊聚焦的雷射照射目標原子，通過局域斯塔克位移（AC Stark shift）使其躍遷頻率與全局場共振，從而僅驅動被選中的原子。另一種強大技術是利用受激拉曼躍遷（stimulated Raman transition），通過兩束聚焦雷射束驅動目標原子在兩個量子比特能級之間發生相干轉移。

### 典型保真度

近年來，中性原子平台的單量子比特門保真度取得了顯著進展，在不同原子體系中均實現了極高的控制精度。例如，在銣原子（87Rb）中，利用拉曼雷射脈衝驅動的單量子比特旋轉，保真度可超過 $99.97\%$。對於銫原子（133Cs），使用隨機基準測試（Randomized Benchmarking, RB）測得的結果顯示，全局微波門的陣列平均保真度達到了 $0.9983(14)$，而單點尋址門的平均保真度也高達 $0.9923(7)$。此外，在基於鐿原子（171Yb）核自旋的量子比特實驗中，通過隨機基準測試得到的單比特門平均保真度同樣達到了 $99.92(1)\%$ 的優異水平。

## 糾纏門

為了實現通用量子計算機，至少還需要一種兩量子比特糾纏門。在中性原子量子計算機中，實現該目標的核心機制是利用原子間的里德堡相互作用（Rydberg interaction），特別是里德堡阻塞（Rydberg blockade）效應。

里德堡原子是指其外層電子被激發到主量子數 $n \gg 1$ 的高激發態的原子。這些原子具有巨大的尺寸和極強的偶極-偶極相互作用。里德堡阻塞現象是指，當一個原子被激發到里德堡態後，由於強烈的相互作用導致能級移動，會阻止鄰近區域（阻塞半徑 $R_b$ 內）的其他原子被同一個雷射場激發到相同的里德堡態。在阻塞半徑內，最多只能有一個原子被激發。利用這一機制，可以構建受控非門（CNOT gate）或受控相位門（CZ gate）等關鍵的兩量子比特門。

### Jaksch門

2000年，雅克施（Dieter Jaksch）等人提出了一種利用里德堡阻塞實現中性原子快速量子門的方案。該方案通過一個脈衝序列（例如，對控制比特施加 $\pi$ 脈衝，對目標比特施加 $2\pi$ 脈衝，再對控制比特施加 $\pi$ 脈衝），條件性地在$|11\rangle$態上施加一個相位，從而實現受控相位門。其門操作時間遠快於原子在囚禁勢中的運動時間尺度，從而對原子溫度和間距的變化不敏感。

### 絕熱演化門

絕熱演化門（Adiabatic gate）通過緩慢地改變雷射參數（如拉比頻率 $\Omega(t)$ 和失諧 $\Delta(t)$），使原子量子態沿著布洛赫球上的某個路徑絕熱地演化。通過精心設計絕熱路徑，可以使得特定的兩量子比特態（例如$|11\rangle$）相對於其他態多積累一個 $\pi$ 的相位，從而實現一個CZ門。這種方案的優點在於對某些實驗噪聲（如雷射強度和頻率波動、原子運動等）具有魯棒性，但其操作時間通常比非絕熱門要長。

### Levine-Pichler門

Levine-Pichler門是一種快速的非絕熱替代方案，通過精心選擇的全局雷射脈衝序列實現受控相位門，簡化了實驗裝置。其脈衝序列經過優化，可以在布洛赫球上驅動$|11\rangle$態積累一個淨相位，而其他態則不積累或積累一個可消除的全局相位。利用量子優化控制技術，已找到比原始方案更快、更平滑的脈衝形狀，可進一步縮短門操作時間，減輕多種誤差來源的影響。

### 兩量子比特門保真度進展

近年來，中性原子平台的兩量子比特糾纏門保真度取得了突破性提升，達到了量子糾錯的閾值要求，其中不乏里程碑式的實驗成果。例如，盧金（Mikhail Lukin）團隊於2023年在《自然》雜誌上報導，他們在多達60個87Rb 原子上並行實現了兩量子比特糾纏門，保真度高達 $99.5\%$。在鹼金屬原子之外，基於鹼土金屬原子的研究也取得了重要進展。曼努埃爾·恩德雷斯（Manuel Endres）團隊於2020年在《自然-物理學》上報導了基於鍶（Sr）原子的兩量子比特糾纏，其貝爾態製備保真度在進行SPAM（態製備與測量）校正後達到了 $\ge 0.991(4)$。

## 量子糾錯與邏輯量子比特

量子糾錯（Quantum Error Correction, QEC）是構建實用且可靠的大規模量子計算機的關鍵。它通過將多個物理量子比特編碼成一個邏輯量子比特（logical qubit），並利用量子糾錯碼來檢測和糾正錯誤。中性原子平台因其高度的靈活性和可擴展性，在實現量子糾錯方面展現出獨特的優勢。

一個里程碑式的進展是多列夫·布盧夫斯坦（Dolev Bluvstein）等人於2024年在《自然》雜誌上發表的研究成果，他們基於可重構的中性原子陣列構建了一個邏輯量子處理器。在這項工作中，研究團隊利用中性原子作為物理量子比特，通過並行操作和動態量子比特重構，實現了對多達48個邏輯量子比特的直接高效控制。他們利用了二維顏色碼（2D color codes）和三維$[\![d^2,1,d]\!]$碼塊等量子糾錯碼，演示了複雜的糾錯操作，例如通過將表面碼的碼距從$d=3$擴展到$d=7$來改進兩邏輯量子比特門的性能，並容錯地創建了邏輯GHZ態。

這項工作展示了中性原子陣列在不同量子糾錯碼和量子演算法之間的靈活適應性，並實現了迄今為止一些最複雜的糾錯量子演算法，代表了向量子容錯計算邁出的重要一步。基於這些突破，QuEra Computing公司宣布了其發展糾錯量子計算機的路線圖，計劃在2026年推出具有100個邏輯量子比特（物理量子比特超過10000個）的系統，旨在推動量子計算超越經典模擬的極限。

## 與其他平台的比較

中性原子量子計算機是多種有前景的量子計算實現方案之一。

與離子阱量子計算機相比，兩者都利用天然原子作為量子比特，因此量子比特具有天然的同一性和良好的相干特性。然而，兩者在實現方式上存在顯著差異。中性原子利用光鑷或光晶格進行囚禁，能夠靈活構建一維、二維乃至三維的原子陣列，並通過「逐原子構建」技術形成可重構的無缺陷結構；相比之下，囚禁離子則依賴保羅阱（Paul trap）等電磁場，通常將離子限制在一維鏈狀結構中。這種結構上的不同直接影響了平台的可擴展性：中性原子被認為在直接擴展量子比特數量方面具有顯著優勢，而囚禁離子在擴展單個離子鏈時則面臨挑戰，其主要發展方向是採用QCCD等模塊化架構。兩者實現量子門的方式也截然不同。中性原子依賴於短程但極強的里德堡阻塞效應，其連接性可通過移動原子來動態重構，並且高並行度的門操作是其突出優點。而囚禁離子則利用雷射驅動共享的聲子振動模式作為資訊媒介，這使得在單個阱內通常可以實現全連接，但代價是並行執行多個門操作較為困難。在門操作速度方面，中性原子的兩比特門速度通常在亞微秒到幾微秒量級，相對快於通常需要幾十到幾百微秒的囚禁離子門。

與超導量子計算機相比，中性原子量子計算機最根本的區別在於量子比特的物理載體。中性原子採用自然界中完全相同的原子，而超導量子比特是人工製造的宏觀量子電路（如Transmon），其性質依賴於複雜的製造工藝，在一致性上面臨更大挑戰。這一差異也帶來了操作條件和性能上的權衡。超導量子比特必須在極低溫（毫開爾文量級）的稀釋制冷機中工作以抑制熱噪聲，而中性原子系統的核心雖然需要深度冷卻，但通常在室溫真空系統內運行，環境要求相對寬鬆。然而，在運算速度上，超導平台優勢明顯，其門操作速度可達納秒量級，遠快於原子系統的微秒量級。此外，在系統的連接性方面，超導量子比特的耦合通常被設計為局域的，例如每個比特僅與最近鄰的幾個比特直接相連，實現遠距離耦合需要額外的SWAP操作。而中性原子平台則能通過原子重排或長程的里德堡相互作用，實現更靈活和動態的連接拓撲。

總體而言，中性原子量子計算機憑藉其量子比特的天然同一性、良好的相干性、通過里德堡相互作用實現的強且可控的相互作用，以及在可擴展性和可重構性方面的突出潛力，成為構建大規模容錯量子計算機的一條極具吸引力的技術路線。