中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽教授等與上海量子科學(xué)研究中心/上海人工智能實(shí)驗(yàn)室鐘翰森研究員等同事合作，利用人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高度的并行性以及與陣列規(guī)模無關(guān)的常數(shù)時(shí)間消耗，在60毫秒內(nèi)成功構(gòu)建了多達(dá)2024個(gè)原子的無缺陷二維和三維原子陣列，刷新了中性原子體系無缺陷原子陣列規(guī)模的世界紀(jì)錄。該方法為大規(guī)模中性原子量子計(jì)算奠定了關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)。相關(guān)研究成果于8月9日以“編輯推薦”的形式發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《物理評論快報(bào)》上，并被美國物理學(xué)會《物理》期刊作為研究亮點(diǎn)專門報(bào)道。
 

圖1：實(shí)驗(yàn)裝置示意圖
 

　　中性原子體系因優(yōu)異的擴(kuò)展性、高保真度量子門、高并行性和任意的連接性，成為極具潛力的量子計(jì)算和量子模擬平臺。該體系使用光鑷陣列囚禁中性原子，首先需要通過重排技術(shù)將初始隨機(jī)填充的原子陣列轉(zhuǎn)換成無缺陷原子陣列，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行量子邏輯門操作。傳統(tǒng)的重排方法受限于隨陣列規(guī)模增長的時(shí)間復(fù)雜度、原子丟失、計(jì)算速度等，陣列規(guī)模停留在幾百個(gè)原子的水平，難以進(jìn)一步擴(kuò)展。
 

　　為攻克該難題，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地研發(fā)人工智能技術(shù)，實(shí)時(shí)驅(qū)動高速空間光調(diào)制器進(jìn)行動態(tài)刷新，通過對光鑷陣列位置和相位的精確控制，同時(shí)移動所有原子。在該工作中，研究團(tuán)隊(duì)演示了二維和三維原子陣列的任意構(gòu)型重排，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)2024個(gè)原子的無缺陷陣列，總耗時(shí)僅為60毫秒。隨著原子陣列規(guī)模增大，該重排方法耗時(shí)保持不變，因此未來可以直接應(yīng)用于數(shù)萬原子規(guī)模的無缺陷陣列重排。目前，該系統(tǒng)單比特門保真度達(dá)99.97%，雙比特門保真度達(dá)99.5%，探測保真度達(dá)99.92%，已追平以美國哈佛大學(xué)為代表的國際最高水平，為構(gòu)建基于中性原子陣列的容錯(cuò)通用量子計(jì)算機(jī)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。
 

圖2：數(shù)千原子無缺陷二維和三維陣列重排實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖
 

　　審稿人高度評價(jià)這項(xiàng)研究工作，認(rèn)為這一工作“通過組裝2024個(gè)原子的陣列創(chuàng)造了新的紀(jì)錄”(establishes a new record by assembling 2,024 atom arrays)，“標(biāo)志著原子相關(guān)量子物理領(lǐng)域在計(jì)算效率和實(shí)驗(yàn)可行性方面的一次重大飛躍”(marks a significant leap forward in computational efficiency and experimental feasibility within atom-related quantum physics)，“是一種創(chuàng)新的方法，具有明確且實(shí)用的優(yōu)勢，對于原子陣列實(shí)驗(yàn)這一龐大且不斷發(fā)展的研究群體將具有重要吸引力”(an innovative approach, which provides a clear, practical benefit that will be of interest to the large, and growing community of atom array experiments)。
 

　　該研究工作得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院、安徽省、上海市和新基石科學(xué)基金會等的支持。