QuEra将研发可重构中性原子量子计算机

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上个月，借助Amazon Braket，QuEra Computing开始提供对其中性原子量子系统Aquila的访问, Aquila具有256个量子比特。如今，量子公司的数量与日俱增，QuEra是其中之一，它成立于2018年，以哈佛大学和麻省理工学院开发的技术为基础，专注于中性原子技术路线。包括QuEra在内的倡导者表示，比起其他方法（如基于半导体的超导系统），中性原子路线具有显著优势，因为其他方法需要超低温的工作环境，并带来重大的控制和缩放挑战。

看好基于中性原子的量子比特技术的公司有：QuEra，Pasqal，Atom Computing和ColdQuanta。他们的稳步发展带来了更多的市场前景，现在用户可以访问新兴的基于中性原子的量子系统。QuEra最近在Amazon Braket上的发布就是一个很好的例子，也是中性原子量子比特技术向前迈出的又一步。

QuEra规划图的一个突出部分是：首先提供模拟量子计算，然后提供基于模拟门的混合解决方案，最后提供完整的基于容错门的系统。Pasqal的计划与此类似。目前，两者都专注于提供模拟量子系统。值得注意的是，拥有20年历史的D-Wave Systems开创了基于半导体的量子退火计算，最近扩大了路线图，包括基于门系统的开发。

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当今量子计算的大部分工作都集中在基于门的系统上。常见的观点是：基于门的系统是通用的，能够处理所有计算任务。另一种主要方法是模拟量子计算，类似于D-Wave所做的。量子模拟系统的工作方式不同，不是执行构成量子程序的一系列单独的门函数，而是以可以直接映射到量子比特集合的方式，制定要解决的问题。就像在自然界中一样，这个系统可以作为一个整体发展，利用各种技术，可以对演变进行一些指导。

本质上，量子模拟更像是一个类似于模拟原始问题的实验，它是一种量子风洞，其中映射的系统行为与自然界中一样，并融入了所有的量子物理学。像所有量子计算机一样，结果是概率性的，因此多次运行问题可以获得结果分布，突出所需的、通常也是主要的结果。事实证明，有各种各样的问题，包括选择模拟和优化，可以通过这种方式解决。近期，QuEra的论文说明了这样的系统可以有效地解决最大独立集合问题，Pasqal的论文阐述了量子进化核方法。

QuEra公司 CEO Alex Keesling（图片来源：网络）

QuEra 公司CEO Alex Keesling说：“现在我们坚信，从现有量子硬件中获得的最大优势归功于在硬件上高效运行的应用程序，而不是这些抽象的，与硬件无关的方法。”

QuEra的中性原子量子计算，是将一团适当的中性原子铷放置在真空室中。聚焦的激光照射到腔室中，创建粘性点图案，其中单个原子被捕获在二维阵列中。原子本质上是相同的，可以避免了很多制造方面的问题。更重要的是，被捕获的原子可以被激光精确地操纵和移动。

Keesling说：“我们不需要担心低温系统。我们只需用一个小真空室，利用通过激光和磁场的光，我们可以将原子减慢到几乎静止的状态，然后将激光聚焦得非常紧密，从而将原子固定到位。激光还用于控制单个铷原子的状态，其价电子可以置于超精细状态。不同于相互排斥的离子，原子是中性的，它们可以紧密地包装在一起。目前我们可以包装多达256个原子，预计很快就会有1000个原子。无需重新发明任何东西，这个系统就可以很容易达到10，000甚至更多个原子。”

原子之间的纠缠是系统的量子比特，是通过将原子泵入里德伯状态来实现的，即原子的外壳膨胀。通过将里德伯原子靠得足够近，使它们的壳重叠，从而使它们纠缠在一起。

Keesling说：“因此，我们可以隔离单个原子，可以控制它们的内部状态，并为原子定义0和1。该平台的一大优点是，它允许我们实时拍摄原子的图像，然后移动它们，将它们定位到我们想要的任何配置。QuEra的一个重大进步是：它发展了以高精度和合适的速度移动单个原子或原子组的能力。这样，编码的量子比特就可以放置在映射特定问题所需的位置。

这很重要，因为连通性与原子量子比特的相对位置有关。优势在于能够有效地将问题编码到 “芯片上”的原子配置中，不用回到制造工厂来构建新芯片。”

Aquila的可重构性是其适用性的关键。原子布局可以动态设计，以实现高效的并行化，甚至可以模拟特定问题。（图片来源：网络）

Keesling表示：从广义上讲，里德伯纠缠范围是有限制的。QuEra可以超越最近邻纠缠，使用其他一些技巧，可以越来越多地扩展这个纠缠范围，与下一个最近邻居甚至第三个最近邻居产生纠缠。在本地相互作用的事物之间，我们看到这种相互作用的很多价值。这种重新定位编码量子比特的能力最终将成为基于门系统的基础。

对于我们在系统中的连接上有效地绘制网络或图形，并直接编码一些困难的组合优化问题，然后通过系统的这种模拟演化来解决它们，这种模拟操作模式下的局部连接非常有效。

QuEra的大部分基础工作由联合创始团队完成，包括：哈佛的Mikhail Lukin、Markus Griener，以及麻省理工学院的Vladan Vuletic、Dirk Englund。QuEra在其网站上发表了令人印象深刻的科学论文。在确定应用领域和技术方面，正在进行大量工作。该公司目前有一篇论文“使用Rydberg原子阵列进行任意连接的量子优化”仍在同行评审中，在ArXiv上可访问，论文提出了扩展其中性原子平台上使用的优化技术。摘要如下：

最近，借助基于里德伯原子阵列的可编程量子系统，对具有数百个量子比特的量子优化算法进行了硬件高效测试。结果证明，单位盘图上的最大独立集合问题在这样的量子系统中是有效可编码的。通过构建从原始计算问题到单位磁盘图上的最大加权独立集问题的显式映射，扩展了可以在Rydberg数组中有效编码的类型，量子比特数量可以再次被利用。

我们分析了几个例子，包括：具有任意连通性的图上的最大加权独立集，具有任意或受限连通性的二次无约束二进制优化问题，以及整数分解。在小系统尺寸上的数值模拟表明：求解映射问题的绝热时间尺度与原始问题的时间尺度密切相关。我们的工作为使用Rydberg原子阵列解决具有任意连接性的各种组合优化问题提供了蓝图，突破了硬件几何尺寸的限制。

Keesling对目前正在探索的应用程序只字未提。他说：“虽然我们有一些正在进行的合作不能透露。但可以说的是，我们基本上看到了两类应用程序。一个是模拟或构建孪生量子，另二个是优化问题。

该公司开发了软件Bloqade ，Bloqade支持基准测试和算法设计，结合了用于量子计算的中性原子阵列的核心优势。考虑到Julia，灵活的处理器几何形状，多量子比特连接和模拟操作模式等功能，Bloqade是一个开源的社区工具，它可以从GitHub下载或在Amazon Braket上运行。

通过AWS Braket提供Aquila，QuEra在建立其用户群和市场占有率方面迈出了重要一步。

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AWS量子计算总监Simone Severini在公告中表示：AWS专注于为客户提供Amazon Braket平台，以探索量子计算的科学研究和软件开发。Aquila的加入首次为Amazon Braket上的每个人带来了中性原子量子计算能力。QuEra 的产品有助于扩展可通过 Amazon Braket 执行的应用程序类型，对于专注于探索中性原子计算的客户来说，这很有用。

来自马克斯普朗克量子光学研究所（MPQ）理论部门主任兼负责人Ignacio Cirac是AWS公告中的推荐人之一，他说：“在我们实现容错通用量子计算机之前，特殊用途的模拟量子设备会优于经典计算，直接模拟其他量子系统。”

目前，QuEra的Aquila确实是一种特殊用途的设备。近期目标是实现模拟量子计算的一个优势：可以相对容易地增加系统尺寸，实现主动纠错，纠错对于扩展基于门的量子系统至关重要。从长远来看，QuEra有更大的目标。

Keesling说：“现在我们拥有纯模拟平台，下一步是上线一些功能，将其转变为混合模拟数字系统。实现这一点的方法是超越量子比特，进入逻辑量子比特，它具有三种状态。这是实现更多这些功能的第一步，在有意义的地方，我们可以进行更多的模拟演进，然后对产品进行数字更改，从而进行更复杂的计算。建立一个完全数字化的系统需要一些时间，因为我们正在构建的是一种旨在支持逻辑量子比特作为操作单元的架构。还需要几年时间才能完成这种转变。但我们希望，即使在我们的混合模拟数字系统中，人们也能实现数字化，并且没有模拟部分。”

编译：卉可

编辑：慕一