中性原子量子计算技术重要进展

一、中性原子量子计算概念

中性原子量子计算是一种以确定性制备的单原子分辨的中性原子（如铷、铯等）作为量子比特的先进计算技术，其核心概念是通过激光操控原子内部能态（如基态、超精细能级或高激发里德伯态）编码量子信息，并利用光镊阵列将原子精确排布为二维或三维结构以实现可扩展的量子比特系统。该技术的核心优势在于：1、可扩展性——光镊可灵活调控成百上千原子的位置，支持大规模量子比特集成；2、长相干时间——原子在真空环境中受外界干扰小，量子态可维持秒级时间，远长于超导等体系；3、并行操控能力——激光可同时作用于多个原子，提升运算效率。此外，通过激发原子至高能里德伯态，可利用其强长程相互作用实现快速两比特纠缠门，突破中性原子间天然弱相互作用的限制。

当前，中性原子量子计算仍面临多重挑战：1、操控精度要求极高，需复杂激光系统实现单原子寻址并抑制串扰；2、里德伯门的速度与保真度不足，可能导致计算错误累积；3、与其他路线一样，量子纠错方案仍需突破，以应对退相干和操作误差对大规模计算的威胁。

尽管存在技术瓶颈，中性原子体系凭借其独特的物理特性，在量子模拟、优化计算及未来通用量子处理器开发中展现出巨大潜力，成为当前量子计算领域最具竞争力的研究方向之一。

二、中性原子主要研究团队

中性原子量子计算技术路线由哈佛大学物理学教授Mikhail D. Lukin领衔。研究团队与麻省理工学院等高校合作，在中性原子量子计算技术方面创造了多个里程碑式突破，在《Nature》和《Science》上发表了多篇研究成果，比如研究团队在今年9月在《Nature》上发表论文，展示了可在3000量子比特规模下实现连续相干运行的实验系统，为大尺度容错量子计算提供了关键技术支撑。

Lukin研究团队联合Vladan Vuletić领衔的麻省理工学院研究团队共同创立专注利用中性原子技术开发实用的量子计算机的公司QuEra Computing Inc.（以下简称“QuEra”）。QuEra已经开发出第一代256量子比特的量子处理器Aquila，并通过亚马逊云平台（AWS）提供量子计算服务。公司计划在未来三到五年内建造一台“有用的”全量子计算机。2023年12月，QuEra在48个逻辑量子比特上运行复杂的纠错算法，取得了重大突破。QuEra的中性原子量子计算技术也因此受到投资界的青睐。2025年，QuEra分别获得了英伟达和软银、谷歌共计4.6亿美元的融资。

图1.QuEra公司256位量子比特中性原子量子计算机--Aquila

此外，加州理工学院的曼努埃尔·A·恩德雷斯（Manuel A. Endres）教授团队也是中性原子量子计算研究主力，该研究团队构建了全球最大的中性原子量子比特阵列（6100个），研究人员将激光束分成12000个光镊，这些镊子在真空室中一起容纳了6100个原子，团队将它们叠加在一起大约13秒——几乎是以前类似阵列的10倍——同时以99.98%的准确率操纵单个量子比特。此外，该研究团队还首次在超冷原子体系中实现了“超纠缠”态。

国内聚焦中性原子量子计算路线的研究团队主要有中科大和复旦大学。2025年8月，中科大潘建伟、陆朝阳研究团队在60毫秒内成功构建了多达2024个原子的无缺陷二维和三维原子阵列的中性原子量子计算系统，利用人工智能技术实现了高度的并行性以及与阵列规模无关的常数时间消耗。目前，该系统单比特门保真度达99.97%，双比特门保真度达99.5%，探测保真度达99.92%，已追平以美国哈佛大学为代表的国际最高水平。复旦大学李晓鹏研究团队也随之成功研制出1000个中性原子量子计算系统，并制定高效并行量子计算指令集，开发AI+量子调控方案，实现了大规模原子系统的自动校准、优化。

三、中性原子量子计算重要进展

1、 原子阵列无损耗、高效、持续运行

2025年9月15日，由哈佛大学、麻省理工学院及苏黎世联邦理工学院组成的研究团队在《Nature》上发表论文，展示了可在3000量子比特规模下实现连续相干运行的实验系统。该系统通过创新的分区架构与双光晶格传送带技术，实现了原子量子比特的高通量加载、初始化与持续维持，为大尺度容错量子计算提供了关键技术支撑。

研究团队构建了一套包含三个功能区的实验架构：原子储库区、制备区与存储区。系统首先利用双光晶格传送带将冷原子从远程磁光阱输送到科学区域，形成高密度原子储备。随后，在制备区通过声光偏转器（AOD）生成的光镊从储库中提取原子，进行激光冷却、成像和量子比特初始化。最终，原子被传输至由空间光调制器（SLM）形成的固定光镊阵列中，作为存储量子比特使用。 

该架构的核心突破在于实现了连续原子补充与量子比特更新，同时保持存储量子比特的相干性。系统能以每秒30万个原子的速率加载光镊，并维持超过3000个量子比特的阵列稳定运行两小时以上。通过分区设计和“黑暗”操作（避免使用散射光），有效抑制了区域间串扰，保障了量子态的相干存储。此外，采用“量子比特屏蔽”技术，在成像过程中通过光移位保护量子比特，进一步延长了其相干时间。 

此项研究为解决中性原子量子计算中原子损耗和系统停滞时间等关键瓶颈提供了可行路径，为未来实现大规模、连续运行的量子处理器奠定了重要基础。

2、 超冷原子的“超纠缠态”

2025年5月26日，美国加州理工学院团队在《Science》上发表文章称，首次在超冷原子体系中实现了“超纠缠”态。

在基本纠缠态中，即使两个粒子相隔甚远，它们仍保持关联。而在“超纠缠”态中，一对粒子的两个特性也相互关联。如果说基本纠缠态是两个远隔千里的朋友在同一天点了同样的奶茶，那么“超纠缠”态就像是他们不仅奶茶口味一致，连甜度和冰块的选择也自动匹配。

团队通过激光构建的“光镊”技术，不但成功冷却了中性锶原子阵列至接近绝对零度的状态，还首次将原子的运动状态也纳入量子信息编码之中，将过去被视为噪声的热运动转变为资源。团队先利用39束特定波长的激光光束（即光镊），对一个个原子进行光学操控和冷却，通过精准检测和主动纠正温度稍高的原子，使99%的原子达到“极冷”状态。随后，他们将这些处于极冷状态的原子激发为类似钟摆振荡的运动状态，其振幅约为100纳米，并进一步将原子的两个振荡状态叠加形成量子“叠加态”。在此基础上，团队将这些“摇摆”的原子两两纠缠，不仅使它们的运动状态保持同步，还同步了它们的内部电子能级状态，即“超纠缠”态。  

这是科学界首次在有质量的粒子中实现“超纠缠”态，此前该现象仅在无质量的光子中得以实现。该成果不仅提升了每个原子所能承载的量子信息量，也为更紧凑、更高效的量子计算和量子存储奠定了基础。 

四、结语

尽管中性原子量子计算取得了显著进展，但仍面临一些挑战，如减少原子从激光陷阱中逃逸的频率、降低操作过程中原子移动的需求等。不过，随着技术的不断进步，中性原子量子计算有望克服这些困难，成为量子计算领域的领军技术。

参考文献

1、Caltech,Caltech Team Sets Record with 6100-Qubit[EB/OL]. (2025-09-24)[2025-09-25].https://www.caltech.edu/about/news/caltech-team-sets-record-with-6100-qubit-array.

2、QuEra.On-Premise Quantum Computers[EB/OL].[2025-09-25].

https://www.quera.com/on-premise-quantum-computers.

 3、中国科学技术大学.中国科大构建国际最大规模原子量子计算系统[EB/OL].(2025-08-12)[2025-09-25].https://news.ustc.edu.cn/info/1055/92466.htm.

4、光子盒研究院.《Nature》重磅！：3000个量子比特阵列连续运行超2小时，哈佛大学等团队实现量子计算里程碑突破[EB/OL].(2025-09-16)[2025-09-25].https://mp.weixin.qq.com/s/DWxypgdA0dBHeOpiaBnVOQ.

 5、Mikhail D. Lukin et al.Continuous Operation of a Coherent 3,000-qubit System.Nature[J].2025(9):1-21.

6、科技日报.超冷原子中首次实现“超纠缠”态.[EB/OL].(2025-5-26)[2025-09-25].https://www.cas.cn/kj/202505/t20250526_5069945.shtml.

7、北京量子信息科学研究院.量子计算新突破：中性原子量子计算机崛起.[EB/OL].(2025-3-11)[2025-09-25].https://www.baqis.ac.cn/news/detail/?cid=2211.