Hundred-hertz quantum circuit iteration rate in a reusable neutral-atom array

构建实用量子计算机的探索过程，促使科学家们去研究许多不同的方法，来持有和控制被称为量子比特（qubits）的最小信息单元。一种极具前景的方法是使用单个原子，通过光束悬浮在真空中，使其充当这些量子比特。这些中性原子阵列非常具有吸引力，因为它们可以扩展到容纳数千个原子，并且可以极其精确地移动这些原子。然而，多年来，一个主要的瓶颈阻碍了它们的进展。虽然原子本身的操控速度非常快，但检查其状态并为下一步做准备的过程却异常缓慢。传统上，读取原子状态的方法往往会将原子从其陷阱中撞出，或者使其受热严重从而导致丢失。这意味着在每一次计算之后，科学家都必须花费数百毫秒的时间来重新加载新的原子并重新排列它们，这一过程限制了每秒钟可以进行的计算次数。

一组研究人员现在展示了一种突破这一速度限制的方法，证明了中性原子量子处理器可以实现每秒一百次的计算频率。通过设计一种可以在不破坏或丢失原子的情况下读取其状态的系统，该团队使得同一组原子可以被反复、快速地连续使用。这一成就将该技术从一种缓慢的、步进式的过程转变为高速的数据流，使基于原子的计算机性能更接近于实现实际应用所需的速率。

该实验是使用一种特定类型的原子——铷-87（rubidium-87），将其捕捉在真空室中进行的。研究人员将十个这样的原子排列成单行，并将每个原子固定在一个被称为“光镊”的微小且聚焦的光束中。为了执行一次计算，团队首先冷却原子并将其设定为一个已知的起始状态。然后，他们施加一系列操作，类似于拨动开关，来改变原子的状态。关键的挑战始终在于最后一步：读取结果。在旧系统中，这种读取过程涉及用光照射原子使其发光。虽然这种光芒可以揭示状态，但光也会推动原子，经常导致它们逃离陷阱。如果一个原子丢失了，整个序列必须停止，系统必须从头开始，从而浪费大量时间。

为了解决这个问题，研究人员利用一块特制的玻璃芯片构建了一种新型接口。这块芯片就像一组微小的、隐形的隧道，收集每个原子发出的光，并将其直接引导至探测器。由于光收集得非常高效，团队可以通过探测极少量的光子来确定原子的状态。这种温和的方法意味着原子保持凉爽并仍处于被捕获的状态。团队通过在相同的十个原子上运行一百次完全相同的操作，且从未重新加载它们，验证了这一点。他们发现，在经过一百个周期后，原子的存在概率仍高达百分之九十九点七。这种高生存率意味着系统可以持续运行，而无需经历重新加载原子所需的漫长停顿。

结果是速度的剧烈提升。该团队实现了每秒一百零一次计算周期的速率，这一数值被称为量子电路迭代率。即使在计入因原子丢失而必须丢弃数据的情况后，有效速度仍保持在每秒七十四点八个周期。为了直观理解，使用类似原子的先前系统被限制在每秒少于十个周期。研究人员还验证了从这些重复周期中收集的信息是连贯且可靠的。通过结合所有一百次运行的数据，他们能够比单次运行测量原子的行为时具有更高的精度。

这种高速能力使团队能够在仅用十三分钟内完成一项标准的计算机质量测试，即“随机基准测试”（randomized benchmarking）。在过去，由于缓慢的重新加载过程，在十个原子阵列上执行同样的测试需要数小时。实验表明，这些原子保持了极高的准确度，操作正确率超过了百分之九十九。研究人员还展示了可以通过优化其方法，在最短时间内获取最有用的信息。通过在读取过程的速度与保持原子安全的需求之间寻找平衡，他们找到了一个“甜点”（sweet spot），即即便传统方法在其他方面都是完美的，该系统收集信息的速度也能比它们快十倍以上。

这次实验的成功依赖于作者称之为“火山”（volcano）架构的巧妙设计，这指的是芯片上光路径的形状设计方式，用于将紧密排列的原子映射到探测器上。这种设置允许每个原子被单独且同时地读取。研究人员相信，随着进一步的改进，例如更好的光收集技术和更快的冷却技术，这种速度最终可以达到每秒数千个周期。这将为更复杂的计算和实时纠错能力打开大门，而这对于构建大规模量子计算机至关重要。这项工作证明，通过改变我们读取原子的方式，而非仅仅试图改进原子本身，我们可以解锁这项技术的一个全新性能水平。