哈佛大学的研究人员开发了一种可编程逻辑量子处理器，能够编码48个逻辑量子比特，并执行数百个逻辑门运算，在量子计算领域取得了重要的里程碑。这一进步被誉为该领域的潜在转折点，是在纠错量子计算机上首次展示大规模算法执行。
哈佛大学在量子计算方面的突破，是一个具有48个逻辑量子比特的新型逻辑量子处理器，可以在纠错系统上执行大规模算法。由米哈伊尔·卢金(Mikhail Lukin)领导的这一发展，代表了向实用、容错量子计算机的重大进步。
在量子计算中，一个量子比特或“量子位”是一个信息单位，就像经典计算中的二进制位一样。二十多年来，物理学家和工程师们向世界展示了量子计算在原则上是可能的，通过操纵量子粒子——无论是原子、离子还是光子——来创造物理量子位。
但是，成功地利用量子力学的奇异之处进行计算，比简单地积累足够多的物理量子位要复杂得多，因为物理量子位本身就不稳定，容易从量子状态中崩溃。
逻辑量子位:量子计算的基石
在有用的量子计算领域，真正的硬币是所谓的逻辑量子位:一束冗余的、纠错的物理量子位，可以存储用于量子算法的信息。创建逻辑量子位作为可控单元——就像经典比特一样——一直是该领域的一个基本障碍，人们普遍认为，除非量子计算机能够在逻辑量子位上可靠地运行，否则技术无法真正起飞。迄今为止，最好的计算系统已经展示了一个或两个逻辑量子位，以及一个量子门操作——类似于一个代码单元。
由量子专家米哈伊尔·卢金(右)领导的团队在量子计算方面取得了突破。Lukin实验室的博士生Dolev Bluvstein是这篇论文的第一作者。图片来源:乔恩·蔡斯/哈佛大学摄影师
哈佛大学在量子计算方面的突破
由约书亚和贝斯·弗里德曼大学物理学教授、哈佛量子计划联合主任米哈伊尔·卢金领导的哈佛团队，在寻求稳定、可扩展的量子计算方面实现了一个关键的里程碑。该团队首次创建了一个可编程的逻辑量子处理器，能够编码多达48个逻辑量子比特，并执行数百个逻辑门操作。他们的系统是第一个在纠错量子计算机上执行大规模算法的演示，预示着早期容错或可靠不间断量子计算的到来。
这项研究发表在《自然》杂志上，是与乔治·瓦斯默·莱弗里特物理学教授马库斯·格雷纳(Markus Greiner)合作完成的;麻省理工学院的同事;以及总部位于波士顿的QuEra Computing公司，这家公司是在哈佛实验室的技术基础上成立的。哈佛大学技术发展办公室(Office of Technology Development)最近与QuEra签订了一项授权协议，授权的专利组合是基于卢金集团开发的创新。
Lukin将这一成就描述为一个可能的转折点，类似于人工智能领域的早期:量子纠错和容错的想法，长期理论化，开始开花结果。
卢金说:“我认为这是一个非常特别的事情即将到来的时刻。”“尽管未来仍有挑战，但我们预计这一新的进展将大大加速大规模、有用的量子计算机的发展。”
这一突破建立在被称为中性原子阵列的量子计算架构的几年工作基础上，该架构由Lukin的实验室首创，现在由QuEra公司商业化。该系统的关键部件是一块超冷的悬浮铷原子，其中的原子——系统的物理量子位——可以在计算过程中移动并成对连接，或者“纠缠”在一起。纠缠的原子对形成门，门是计算能力的单位。此前，该团队已经证明了他们的纠缠操作的低错误率，证明了他们的中性原子阵列系统的可靠性。
影响及未来方向
“这一突破是量子工程和设计的杰作，”美国国家科学基金会数学和物理科学理事会代理助理主任丹尼斯·考德威尔说，该理事会通过美国国家科学基金会的物理前沿中心和量子飞跃挑战研究所项目支持这项研究。“该团队不仅通过使用中性原子加速了量子信息处理的发展，而且为探索大规模逻辑量子比特设备打开了一扇新的大门，这可能为科学和整个社会带来变革性的好处。”
利用他们的逻辑量子处理器，研究人员现在展示了使用激光对整个逻辑量子比特进行并行、多路控制。这个结果比必须控制单个物理量子位更有效和可扩展。
论文第一作者、格里芬艺术与科学学院博士生Dolev Bluvstein说:“我们正试图标志着该领域的一个转变，开始用纠错量子比特而不是物理比特来测试算法，并为更大的设备开辟道路。”
该团队将继续努力，在他们的48个逻辑量子位上展示更多类型的操作，并配置他们的系统连续运行，而不是像现在这样手动循环。
参考:“基于可重新配置原子阵列的逻辑量子处理器”，作者:Dolev Bluvstein, Simon J. Evered, Alexandra A. Geim, Sophie H. Li，周恒云，Tom Manovitz, Sepehr Ebadi, Madelyn Cain, Marcin Kalinowski, Dominik Hangleiter, J. Pablo Bonilla Ataides, Nishad Maskara, Iris Cong, Xun Gao, Pedro Sales Rodriguez, Thomas Karolyshyn, Giulia Semeghini, Michael J. Gullans, Markus Greiner, Vladan vuletiki和Mikhail D. Lukin, 2023年12月6日，Nature。DOI: 10.1038 / s41586 - 023 - 06927 - 3
这项工作得到了国防高级研究计划局通过“噪声中等规模量子器件优化”计划的支持;超冷原子中心，一个国家科学基金会物理研究所ntiers中心;陆军研究办公室;和QuEra Computing。
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