美国MIT等校企团队发布中性原子量子计算战略计划

7月23日，美国麻省理工学院（MIT）、哈佛大学与QuEra、PASQAL等31家校企团队，联合发布“中性原子量子计算战略计划”（Strategic Plan for Neutral Atom Quantum Computation，以下简称“战略计划”）。规划依托2025年1月在MIT Endicott House召开的“利用中性原子推进量子计算”美国国家科学基金会（NSF）专题会议成果，构建了中性原子量子计算平台的规模化发展路线图。规划强调硬件与理论协同研发思路，覆盖量子比特扩展、光控、纠错、编码、软件算法及多处理器联网等核心方向，明确了“实用量子优势”的定义与验证标准。现有技术进展已为构建数万物理量子比特、数百逻辑量子比特系统开辟了可行路径。为此，需提升门精度、实现原子连续重载、以集成光子控制替代笨重光学设备、高效量子纠错、优化量子电路编译等，实现分布式量子计算，突破规模化瓶颈。

一、实用量子优势：构建统一评价体系

当前全球量子优势验证体系存在明显争议，核心问题在于不同量子计算平台采用差异化测试任务与评价指标，导致技术性能无法横向对比。“战略计划”提出“实用量子优势”的四项判据：

（1）正确性，量子计算必须正确完成一项定义清晰的任务；

（2）优势性，这项任务在当时无法由可用的经典硬件完成；

（3）扩展性，量子算法相较于最佳经典算法具有可扩展的计算优势；

（4）实用性，任务必须对量子硬件开发者之外的用户群体具有实际价值。

基于逻辑量子比特数、量子操作数（Quops）两大指标，“战略计划”将量子优势划分为三个递进量级阶段：

第一阶段为弱且不可验证优势（10³—10⁶ Quops），契合当前随机电路采样实验水平；

第二阶段为早期实用优势（10⁶—10⁹ Quops），可实现可验证随机数生成、特定量子模拟等任务，能通过定制化因式分解、量子性证明等协议进行经典验证；

第三阶段为广泛实用优势（10⁹—10¹² Quops），指向量子化学、材料科学、核物理、密码学及组合优化等真实问题。

此外，“战略计划”建议制定一套评估量子优势的综合标准与指标，同步反映优势程度与置信水平，也要明确优先研究的“关键挑战问题”。同时借鉴美国国家标准与技术研究院（NIST）竞赛模式，联动经典与量子领域专家协同攻关。

二、量子处理器硬件：从数千到十万量子比特

中性原子量子处理器硬件聚焦量子比特阵列扩展、量子比特编码与原子平台、门与高保真控制、原子连续重载、快速高保真量子比特读出五大核心方向。

目前中性原子阵列已稳定实现数千量子比特运行，而激光功率是制约规模扩大的核心瓶颈。研究表明，通过研发高功率激光器、采用光束合成技术、探索利用光能量回收优势，可突破技术限制，有望搭建一万至十万个量子比特的系统规模。光晶格则是规模化扩展的补充路径，可通过光学功率循环高效构建大规模周期势场，但存在单原子寻址、动态重排、局部量子门控制设计复杂的问题。因此，未来中性原子系统或采用融合架构，形成光镊、光晶格不同功能区域协同工作模式。

原子连续重载是保障大规模系统稳定运行的核心技术。原子丢失是深度电路与容错计算的致命误差来源，连续重载通过可移动光镊将新原子精准补位至计算阵列，实现系统“边计算、边维修”。未来需将损失检测、量子纠错和连续重载连接起来，支撑数万量子比特系统长期稳定运行。

三、可扩展光子控制：走向集成光子芯片

传统体式光学设备无法适配万至十万级物理量子比特的同步控制需求。光子控制技术的芯片化、集成化迭代，是中性原子量子计算突破的核心方向，其变革意义堪比经典计算从真空管到晶体管的技术跃迁。可扩展光子控制技术涵盖VIS-NIR集成光子平台，门控集成光子，可扩展电子控制系统，原子捕获集成光子，集成激光稳定系统，以及融合声光、电光、空间光调制的新型光学控制技术六大核心研究方向。

下一代光子控制技术需支撑量子门、动态捕获、冷却、成像四大基础操作，并严格匹配光场频率、强度、空间分布、偏振等动态参数标准，同时满足噪声要求。“战略计划”建议，将驱动电子学与光子芯片进行三维集成，让每个调制器附近都配备本地驱动器和脉冲序列存储单元，以降低外部布线和数据吞吐压力。据此判断，未来中性原子量子计算的竞争，同时是精密光学工业的竞争，激光设备、光子芯片、控制系统等将成为核心技术门槛，激光供应链产业将迎来关键发展机遇。

四、量子纠错：突破阈值、降低开销

量子纠错聚焦降低容错门操作成本，提升解码器性能，qLDPC（量子低密度奇偶校验）、费米子—费米子码等新型量子纠错码，容错模块化量子纠错架构等研究方向。

“战略计划”重点介绍了qLDPC新型纠错码，相较传统表面码，在同等纠错能力下，其所需物理量子比特数量减少一个数量级，且具备非局域特性，高度适配中性原子阵列的强可重构连通性。哈佛团队已依托高速率码完成复杂逻辑电路实验验证，取得里程碑式突破。目前qLDPC技术仍存在落地短板，通用逻辑门高效实现、低延迟解码器设计、原子损失类非传统误差处理是核心攻坚难点。尤其在容错计算场景中，解码器必须在下一轮控制决策前完成综合征数据处理，否则经典计算环节反而会拖慢量子处理器。

五、量子电路编译：算法与硬件的核心纽带

动态可重构是中性原子量子计算的优势，但当前编译工具链碎片化问题突出。“战略计划”呼吁建立统一的中间表示，把逻辑布局、原子移动、实时脉冲生成、纠错综合征调度全部打通。未来用户不需要考虑纠错细节，编译器自动选码、自动排布、自动生成控制信号。

“战略计划”同时强调，电路编译必须与纠错编码协同设计。中性原子的原子可重排特性，使其编译优化空间远超超导量子计算路线，但也带来了更复杂的系统适配难题。

六、量子处理器网络化：推进模块化互联发展

单台中性原子处理器达到一万物理量子比特具有近期可行性，借助更高功率激光和专用光学系统，十万量级也可能实现。但继续扩展之后，真空腔尺寸、光学视场、激光功率、控制通道都会逼近工程边界。

模块化互联成为下一阶段核心发展方向。量子处理器网络化研究方向包括高保真度原子—光子纠缠、高速远程纠缠生成、与外部器件和异质量子系统集成、基于可移动原子阵列的模块化架构。同一真空环境内，通过长距离原子输运、可扩展原子—光子接口，可实现多计算区域互联互通；跨设备远距离场景下，需依托原子—光子纠缠技术与光子链路，搭建远程纠缠互联网络。目前全球最优原子—光子纠缠保真度仅超95%，速率为每秒数十次。要满足容错计算要求，系统必须提高原子—光子纠缠保真度、光子收集效率和探测效率，并通过多原子、多光学模式并行操作提升纠缠速率。

七、结论与展望：中性原子路线迈入规模化关键窗口期

中性原子量子计算已经从实验验证阶段进入规模化发展的关键窗口期，核心任务是突破百万级量子比特扩展、高保真控制、低开销纠错和分布式量子网络等关键瓶颈。未来量子计算行业的竞争重心，将从单纯比拼量子比特数量，转向比拼实用量子优势的落地速度。凭借超强规模扩展能力、动态连接优势与模块化组网潜力，中性原子技术路线有望成为下一代通用量子计算的核心发展路径。未来十年，中性原子平台可能逐步接近量子实用性门槛，“早期实用量子优势”也可能率先出现。

参考文献：

[1] Menssen, A. J., & 55 other authors. (2026). Strategic Plan for Neutral Atom Quantum Computation (arXiv:2607.21554v1). arXiv. https://doi.org/10.48550/arXiv.2607.21554.

[2] Quantum Insider. Neutral-Atom Researchers Lay Out Industry-Wide Roadmap Toward Practical Quantum Computing[EB/OL]. (2026-07-27)[2026-09-04]. https://thequantuminsider.com/2026/07/27/neutral-atom-researchers-lay-out-industry-wide-roadmap-toward-practical-quantum-computing/.