英美科学家合作，首次在中性原子量子计算机上运行量子算法

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近日，美国威斯康星大学麦迪逊分校宣布与两家量子公司合作，首次在中性原子（核外电子等于核内质子数的原子）量子计算机上运行量子算法，将推动量子计算的实际应用。该团队是世界上第一个在可编程门模型(Gate model)冷中性原子量子计算机上，演示量子算法的团队。其中包括美国冷原子量子技术公司ColdQuanta和英国量子计算软件开发商Riverlane。

实用量子计算机可以解决传统计算机无法解决的特定复杂问题，将有助实现多种应用，例如物流、药物发现和量子过程的计算建模。其中，门模型量子计算机如果能以长相干时间和高保真逻辑实现大规模运行，将有望解决这些问题。

冷原子超精细量子位由于其相同的特性、较长的相干时间，以及可以被困于密集多维阵列中的能力，因此具有可延展性，有利于实现门模型量子计算机的规模化。

此次，由威斯康星大学麦迪逊分校物理学教授Mark Saffman领导的研究小组，将6个具有长寿命的中性原子纠缠在一起，实现了多达6个量子位的Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ)纠缠态的制备。GHZ态是由三位物理学家Daniel Greenberger、Michael Horne、Anton Zeilinger于1989年提出的一种多量子纠缠态，是现今运用在多方量子保密通信中的一种常用纠缠态。相关成果近日发表在《自然》(Nature)。Mark Saffman还担任威斯康星量子研究所(Wisconsin quantum Institute)主任、ColdQuanta公司的量子信息首席科学家。他表示，在目前研发实用量子计算机的竞赛中，有几种不同的方法正在开发中。“冷原子量子位是正在积极开发的五种方法之一，这篇文章首次展示了使用冷原子量子位运行量子电路和量子算法的能力。”

前述团队证明了在冷原子量子计算机上运行量子算法是可行的。而以往的中性原子量子计算机使用的都是寿命较短的原子。“我们的方法好处之一是原子具有寿命较长的状态。”论文主要作者Trent Graham表示，“在这些状态下，其相干性可以保持几毫秒，而在先前演示的状态中，其衰减的速度要快三百至四百倍。”他们在冷原子量子计算机上成功运行了两种量子算法。第一种是量子相位估计(QPE)算法，一种在化学领域中用于测量原子的分子能量的常见算法。另一种则是MaxCut（最大割问题），在物流部署和模式识别方面具有应用。这些成果突出了冷原子量子位阵列的高度可扩展性，可用于通用、可编程的量子计算，以及量子增强传感的非经典状态的制备。

合作是前述团队成功的关键。威斯康星大学麦迪逊分校团队构想并完成了大部分工作，ColdQuanta公司工程师与威斯康星大学团队合作设计和研发了量子计算机的关键子系统，Riverlane公司工作人员则为电路设计、优化和模拟做出了贡献。