严肃解读：中性原子的里程碑进展与未竟挑战！哈佛-MIT 论文直观剖析

 

文丨浪味仙  排版丨浪味仙

行业动向：3000字丨8分钟阅读

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近年来，中性原子作为一种极具前景的量子计算平台，在量子模拟、量子计算、精密测量以及量子网络等领域均展现出潜力。然而，原子损耗等固有问题曾使其操作模式受限于脉冲式，极大地制约了量子计算的深度和性能。

近期，哈佛大学-麻省理工学院联合团队两项开创性研究取得了关键进展，不仅实现了大规模原子阵列的连续运行，在容错量子计算的关键要素上也取得了突破，预示着中性原子量子计算机正逐步从概念靠近实用，但其全面实现仍面临诸多挑战。

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突破性进展：

构建容错量子计算的核心模块

过去，原子损耗是限制中性原子系统性能的主要瓶颈，迫使其以脉冲模式运行，从而限制了量子计算的电路深度。现在，研究人员通过创新架构实现了对大规模原子阵列的高速率、连续重载和操作，同时保持了量子信息的相干存储和操控。

可实现连续重载的创新架构：图源论文 

 这一系统利用两级光学晶格传送带将原子源源不断地输送至科学区域，并以每秒 30 万个原子的速率将原子提取到光镊中，在不影响附近存储量子比特相干性的前提下，每秒可初始化超过 3 万个量子比特。通过这种方式，系统成功维持了超过 3000 个原子的阵列长达两小时以上，远超传统囚禁时间（约 60 秒），为实现长时间、深电路量子计算奠定了基础。

在实现容错量子计算方面，研究团队利用高达 448 个原子的可重构阵列，实现了通用容错量子处理架构的关键要素，主要基于表面码（surface code）进行量子纠错（QEC）的性能评估。实验证据表明，中性原子量子处理器能够执行多轮重复的纠错与量子逻辑操作。具体而言，单个逻辑量子比特能够持续检测并纠错，并在保持纠错优势的前提下，成功对编码数据执行了关键逻辑操作，包括横向纠缠门（transversal gates）与逻辑量子传态（logical quantum teleportation）。

 容错量子计算的体系结构与机制：图源论文

为了应对中性原子系统中常见的原子丢失和测量误差问题，研究引入了创新的应对策略：

• 非破坏性、自旋分辨的量子比特读出：通过状态选择性一维光学晶格，将两种量子比特状态分离到不同的光镊中，从而实现了对原子丢失的检测和原子保留，结合电路内重新初始化技术（in-circuit re-initialization technique），将实验循环速率提高了两个数量级。

• 机器学习解码器：专门优化以处理中性原子平台常见的原子丢失信息。研究表明，结合原子丢失信息和机器学习解码，可将量子纠错性能提高 1.73 倍。

• “超级检查项”（superchecks）：即使部分稳定子因原子丢失而无法测量，这些由多个稳定子组合而成的结构仍可维持整体校验的有效性，从而抑制了检测到的误差概率。

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逻辑操作与误差清除的协同效应

除了保护量子信息，可扩展的量子计算机还必须能够在编码信息上执行逻辑操作。研究重点评估了两种逻辑操作方式：横向门和晶格手术（lattice surgery）：横向门因所需资源开销较小，在测量误差容忍性方面表现更稳健；而晶格手术虽然对误差更为敏感，但在某些应用中具有结构紧凑、算法效率高的优势。多轮稳定子测量可提高两种操作的可靠性，当逻辑门操作与稳定子测量以固定节奏交替进行时，可获得最佳系统性能。

 探索逻辑门和熵消除的相互作用：图源论文

研究还提出了一种新颖的逻辑量子传态应用方式：通过量子纠缠与测量操作转移逻辑量子比特，而无需物理移动原子。这种方法支持构建更深层次的量子电路，并提升误差清除效率，尤其在结合基于综合态的反馈机制与实时原子丢失监测的情况下效果尤为显著。重要的是，这种结构确保了算法在执行逻辑操作的同时，能以恒定的熵（constant entropy）进行。

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仍需克服的挑战与未来展望

尽管取得了显著进展，但实现一台完整、实用的中性原子量子计算机仍然面临以下几个主要挑战：

 

总而言之，这些研究为中性原子平台实现容错量子计算提供了坚实的实验证据和现实可能性：通过结合高保真逻辑门、可扩展的原子控制机制以及强大的解码算法，中性原子平台有望成为长期容错量子计算的重要候选体系。

虽然其运行速度目前仍慢于超导与光量子平台，但这种处理器架构展现出在降低误差率与缩短运算周期方面的明确发展路径，使其具备面向未来深电路量子应用的潜力。研究团队相信，这些技术组合使他们能够在实验层面探索容错通用量子算法，并结合中性原子系统的其他重要进展，展示了该平台在实现深电路容错量子计算方面的独特潜力。

Reference：

• 进一步降低误差率：本研究中所展示的处理器性能仍高于表面码容错阈值 2.14 倍，这表明在系统能够高可靠性地执行大规模量子算法之前，误差率仍需进一步降低。当前，单量子比特的状态制备和测量（SPAM）保真度为 98%，这被论文认为是逻辑误差率的一个重要贡献因素，而容错量子计算通常要求物理操作保真度达到99.99%（即万分之一的误差率），两者之间仍有显著差距。此外，关键的量子门保真度数据在论文中并未充分披露，这使得难以全面评估其当前性能。图源论文

• 原子丢失与相关性误差：原子丢失仍然是系统稳定性的一大挑战。尽管论文中描述了通过检测并利用原子丢失信息进行解码（例如机器学习解码器），以及利用“超级检查项”即使部分稳定子因原子丢失而无法测量也能维持整体校验的有效性等方法来应对，但每个原子的丢失仍会增加解码难度，并可能引入难以直接通过表面码纠正的误差，这类误差若未妥善处理，可能在系统中持续存在。此外，Rydberg 态泄漏、串扰或原子运动也可能导致相关性误差，这类误差同样难以直接通过表面码纠正，若不能及时检测并加以控制，会进一步削弱系统性能。

• 运行时钟速度与可扩展性瓶颈：“运行时钟速度”（Runtime Clock Speed）是指量子计算机执行其基本操作的速度，与超导量子或光子量子系统相比，该中性原子平台的运行时钟相对较慢。目前系统并未针对运行速度进行优化，研究团队指出，在未来版本中系统周期时间仍有显著缩短的潜力。此外，尽管量子比特补充速率很快，但论文计算显示，要支撑一台实用化的容错量子计算机，需要每秒 8 万个量子比特的补充速率，而当前系统仅达到每秒 3 万个量子比特的初始化速率，约为所需速率的 37.5%，仍需大幅提升。

   图源论文

• 解码算法的优化与扩展：研究指出，使用 GPU 加速的机器学习解码器在解码速度和准确性方面表现出良好潜力，但若要应用于实时且大规模的量子负载场景，仍需进一步优化与扩展。

• 系统集成与稳定性：下一步工作应聚焦于将该系统整合进一个具备运行实际量子算法能力的全栈架构中，同时完善误差建模并提升硬件稳定性。

• 深层量子电路与基准测试：需要进一步探索更深层次的量子电路、开展更全面的基准测试协议，并最终实现超越经典计算能力的算法加速。

1、https://arxiv.org/abs/2506.20660

2、http://arxiv.org/abs/2506.20661

3、https://thequantuminsider.com/2025/06/26/neutral-atom-quantum-processor-demonstrates-repeatable-error-correction/