2022，量子計算爲何掀起中性原子熱？

剛剛成立的量子計算初創公司planqc近日宣佈完成460萬歐元融資[1]。這筆資金將用於開發一種室溫運行的高度可擴展的量子計算機——基於捕獲在光學晶格中的原子。planqc由來自馬克斯·普朗克量子光學研究所(MPQ)和慕尼黑大學的科學家團隊創立，以量子理論的開創者馬克斯·普朗克(Max Planck)的名字命名，是歐洲領先的量子技術中心之一慕尼黑量子谷的第一家初創公司。

圖1 planqc的實驗室

該公司的創始團隊結合了哈佛大學、牛津大學、加州大學伯克利分校、科羅拉多大學、因斯布魯克大學、新加坡量子技術中心(CQT)和MPQ等世界領先機構數十年來對中性原子量子技術的國際研究。

與其他中性原子公司類似，planqc的量子計算機將信息存儲在單個原子中，並將它們排列在高度可擴展的人造光晶體中。然後，量子信息通過基於精確控制的激光脈衝的量子門進行處理，利用MPQ開創性的基礎研究和世界領先的德國激光和光子產業。

MPQ研究員、planqc聯合創始人Johannes Zeiher解釋道：“我們的原子比深空冷100多萬倍，比IBM或谷歌使用的超導量子比特冷1000多倍，但由於我們的量子比特與周圍環境近乎完美的隔離，我們可以在室溫環境下運行計算機。我們已經在MPQ的光晶格模擬器中常規捕獲和控制了2000多個原子。”

實際上，你可以從光子盒的報道中看出，2022量子計算已經掀起了中性原子熱。多家公司推出了100+量子比特系統；芝加哥大學團隊成功捕獲了512個原子；展示了中性原子量子計算機的可編程性、通用性和可擴展性；Pasqal和ColdQuanta分別收購了一家量子計算軟件公司。

量子計算爲何掀起中性原子熱？緣於其在量子模擬方面的優勢。

中性原子量子計算機除了量子門描述量子比特時間演化的數字模式外，還可以在所謂的模擬水平上實現對設備的控制，可以直接操縱描述原子系綜演化的數學算子(哈密頓量)。它不僅允許在應用門的過程中對脈衝進行更精細的控制，而且還可以直接使用系統的哈密頓量作爲計算資源。這種模擬設置所允許的精細控制水平，加上大量可能的配置，使其成爲量子處理的強大工具[2]。

目前的中性原子量子計算公司中，有的正在研究模擬方法(例如Pasqal)，而有的則專注於門方法(例如Atom Computing)。其中，Pasqal正在開發混合數字/模擬解決方案。

圖2 主要的中性原子量子計算公司

中性原子量子處理器(QPU)能夠實現數字和模擬量子處理任務。在數字計算中，量子算法被分解成一系列量子邏輯門，由如圖3(a)所示的量子線路描述。這些量子門是通過將微調過的激光脈衝照射到寄存器中選定的單個原子子集上實現的。在模擬計算中，激光被用於實現哈密頓量。量子比特根據薛定諤方程隨時間演化，如圖3(b)所示。通過測量每個量子比特的狀態來探測系統的最終狀態。

圖3 數字處理與模擬處理。(a)在數字處理中，對量子比特應用一系列門來實現量子算法。每個門都是通過用激光束單獨尋址量子比特來實現的。(b)在模擬處理中，量子比特在特定的哈密頓量H下演化，例如通過用激光束照射整個寄存器。系統的波函數|ψ〉遵循薛定諤方程。

中性原子陣列適用於實現量子哈密頓量和實現模擬量子處理。裡德堡原子表現爲巨大的電偶極子，它們經歷偶極-偶極相互作用，映射爲自旋哈密頓量。寄存器的每個量子比特都表現爲自旋，其狀態爲|↓〉=|0〉和|↑〉=|1〉。根據過程中涉及的裡德堡態，自旋經歷不同類型的相互作用，轉化爲不同的哈密頓量。研究最多的是伊辛模型，|↓〉爲基態之一，|↑〉爲裡德堡態。

伊辛哈密頓量是解決凝聚態物質中許多問題的典型模型。例如一個描述材料科學中量子磁體在非常低的溫度下如何演化的模型。在中性原子設備中，這種模型可以在包含數百個原子的1D、2D或3D陣列中實現，理論上將遠遠超過經典計算機的計算能力。

可以實現的自旋模型的另一個例子是XY哈密頓量。它在自旋狀態下自然出現|↓〉和|↑〉是兩個偶極耦合的裡德堡態。自旋態之間的相干交換，將對態|↓↑〉轉換爲|↑↓〉。交換相互作用非常適合於研究受挫量子磁體或激發輸運，特別是在光合作用的背景下，瞭解光能如何在捕光復合物中被帶到反應中心。與寄存器中量子比特的可控幾何形狀進行關聯，它還可以解決有機聚合物等拓撲材料的導電性問題。

結合各種狀態，並利用寄存器中自旋的幾何形狀，中性原子QPU允許實現各種各樣的自旋哈密頓量。在模擬量子處理的所有候選者中，光學陣列中的裡德堡原子特別適合，因爲它們提供了非常有利的品質因子Q~102。

完全可編程的中性原子QPU的第一個自然應用是探索和解決許多科學領域的複雜量子現象，從固態材料的行爲到化學和生化反應動力學。通過引導量子糾纏和疊加，人們可以在設備中再現被認爲足以解釋此類物理現象的關鍵元素。

從這個意義上說，量子設備可以作爲基本自然過程的模擬器，可以用來促進科學發現，同時大大降低計算成本。由於其量子性質，在這個量子模擬框架中探索的科學問題在經典設備上不容易解決。困難的根源在於希爾伯特空間的大小與相互作用粒子數的指數增長。

量子模擬(Quantum Simulation)還可以進一步分爲模擬(Analog)量子模擬和數字(Digital)量子模擬，區別如下：

中性原子陣列的量子模擬應用包括所有的多體物理學，即研究相互作用的量子粒子羣行爲的領域。這是一個非常廣泛的領域，包括幾乎所有的凝聚態物理和量子化學，另外還有核物理和高能物理。

1.凝聚態物理

通過允許模擬量子自旋系統，中性原子設備將爲凝聚態物理開闢各種新的機會。在過去的60年裡，自旋模型在各種背景下被廣泛研究，例如磁性和激發輸運。但許多重要的開放性問題仍然是積極研究的主題，例如，當自旋以幾何挫折爲特徵排列時相圖的性質，哈密頓量的一個參數突然變化後的系統動力學，無序在耦合中的作用，或它們與拓撲起作用的情況的組合。除了量子自旋系統，原子陣列還可以爲其他感興趣的固態系統帶來新的見解，如電子系統。

未來沿着這些方向進行的研究將有助於研究新材料，這些新材料可能爲能量運輸和儲存提供前所未有的功能，或表現出高溫超導等變革型特性。

2.量子化學

模擬電子系統的能力擴展到量子化學和生物化學問題。雖然經典計算力學足以描述這些系統的大部分特性(例如分子動力學)，但量子效應的引入有助於理解微觀層面的一些物理過程。

多體量子效應的引入，通過提供分子活性位點的電子自由度的更完整模型，可以使我們改進模型並更好地理解一些分子的反應性。這類研究通常相當於描述一個非常大的電子哈密頓量的低本徵態。尋找本徵值的量子方法依賴於量子相位估計(QPE)算法，該算法可以提供超越經典方法的指數加速，但是對於沒有糾錯的NISQ量子設備仍然是不切實際的。因此，需要通過變分程序利用量子硬件的能力。

圖4 中性原子設備在量子物質和生物化學研究中的應用。左圖顯示了高溫超導體的氧化銅平面。人們通過多體電子哈密頓量(費米-哈伯德)來模擬這種系統，可以通過衆所周知的變換將其映射到自旋系統上。右圖顯示了血紅蛋白的結構。蛋白質活性位點的量子模擬可以帶來對其反應性的新認識。

3.高能物理、核物理和宇宙學

現代量子模擬器所允許的對單個粒子的強大控制使得在實踐中實現晶格規範理論模型成爲可能。規範理論在粒子物理學中很重要，包括基本粒子的主流理論：量子電動力學、量子色動力學和粒子物理學的標準模型。晶格規範理論是對被離散成晶格的時空的規範理論的研究，其應用也擴展到凝聚態物質和核物理。因此，中性原子設備是一個測試高能物理基礎理論的誘人平臺，其開發成本比粒子對撞機低四個數量級。

[1]https://www.uvcpartners.com/blog/max-planck-scientists-found-planqc-to-build-highlyscalable-quantum-computer

[2]https://arxiv.org/pdf/2006.12326

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