中国科学家实现突破：2024年量子计算原子阵列无缺陷新纪录

中国量子计算研究取得里程碑式进展

中国科学技术大学潘建伟院士、陆朝阳教授团队携手上海人工智能实验室钟翰森研究组取得重大突破，成功构建了包含2024个原子的无缺陷量子计算阵列。这一创纪录的实验成果不仅将量子计算技术推向新高度，同时也揭示了人工智能与基础物理学科交叉研究的广阔前景。

量子计算的基础原理

与传统计算机依赖的二进制比特不同，量子比特具有量子叠加特性，可以同时处于多个状态。研究团队选择了原子作为量子比特的理想载体，因其具备天然的稳定性与一致性。通过精密的激光调控，可以使原子进入"里德堡态"，此时原子直径膨胀上千倍，产生显著的量子相互作用效应，这正是实现量子逻辑运算的物理基础。

关键技术突破

研究人员采用创新的"光镊"技术构建量子阵列：通过空间光调制器生成上百个激光焦点，每个焦点可捕获单个原子。然而量子力学性质使得原子捕获成功率仅65%左右，如何高效填补阵列空缺成为关键挑战。

传统方法是逐个移动原子进行补位，但在大规模系统中效率低下——移动2000个原子需要2秒，扩展到更大规模时耗时更长。研究团队开创性地开发了基于人工智能的并行移动算法，将所有原子同时调整到位。

核心技术细节

科研人员采用优化的匈牙利算法实现最优路径规划，配合分区处理技术将计算时间缩短至5毫秒。整个移动过程分解为20个微步骤，有效避免了原子逃逸。深度学习模型采用卷积神经网络架构，可实时生成控制光场分布的振幅与相位图。

关键的技术跨越在于实现了频率域与空间域的高效转换。研究人员让AI先在空间域生成图案，再通过快速傅里叶变换转换至频率域。经过超10万次模拟训练，AI系统的控制精度达到纳米级。

性能指标

该系统实现了计算时间与原子数量无关的"常数时间复杂度"——无论处理1000个还是10000个原子，重排时间都稳定在60毫秒内。

实验结果创造了多项世界纪录：

• 45×45二维阵列（2024原子，成功率99.95%）
• 723原子组成的"USTC"字样
• 1077原子的三维立方结构
• 752原子模拟的扭曲石墨烯结构

量子门保真度达到：

1. 单比特门：99.97%
2. 双比特门：99.5%
3. 测量保真度：99.92%

学术影响与未来展望

该成果发表在《物理评论快报》并获编辑推荐，《物理》杂志将其列为research highlight。国际同行评价这项工作在计算效率和实验可行性方面实现了量级提升。

团队正在推进多项改进:

• 采用高功率激光扩展原子容量
• 提升空间光调制器分辨率
• 优化真空系统延长相干时间
• 结合GPU并行计算

这项突破性研究不仅推动了量子计算实用化进程，更开启了人工智能辅助科学发现的新范式。当量子计算机规模扩展到数万原子级别时，人类将获得模拟复杂物质系统、解决重大科学问题的革命性工具。

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