为攻克物理学、化学及其他领域中一些最为棘手的难题，量子计算机最终需配备数量极为庞大的量子比特。不同于仅能表示0或1的经典比特，量子比特能借助一种名为“叠加态”的现象，同时承载这两种状态。量子力学的这一非凡特性，使量子计算机在特定类型的计算中有望超越传统计算机。然而，量子比特极为脆弱，这种特性使它们极易出错。为应对这一问题，研究人员设计了配备额外量子比特的系统，这些额外的量子比特作为备份，用于检测并纠正错误。因此，构建可靠的量子计算机预计需要数十万乃至更多的量子比特。

为实现这一目标迈出重大一步，加州理工学院的物理学家成功组装出迄今为止规模最大的量子比特阵列：借助激光光束，将6100个中性原子量子比特排列成网格状。作为对比，此前同类阵列的规模仅限于几百个量子比特。

这一成果的取得正值全球量子计算扩张竞赛日益激烈之际。其他竞争方案包括基于超导电路、捕获离子以及中性原子的平台，而这项新研究采用的正是中性原子方案。

利用光镊构建阵列

加州理工学院物理学教授曼努埃尔·恩德雷斯（Manuel Endres）表示：“对于中性原子量子计算而言，这是激动人心的一刻。如今，我们已能预见大型纠错量子计算机的研发路径，所需的基石已然奠定。”恩德雷斯是发表在《自然》杂志上的这项研究的主要负责人。该研究由加州理工学院的三名研究生主导，分别是汉娜·马内奇（Hannah Manetsch）、野村雄平（Gyohei Nomura）和埃利·巴泰耶（Elie Bataille）。

研究团队采用光学镊子（高度聚焦的激光束）将数千个独立的铯原子捕获在一个网格中。为了构建原子阵列，研究人员将一束激光分割成12000个光学镊子，这些镊子共同在真空腔内固定住了6100个原子。马内奇（Manetsch）说：“在屏幕上，我们实际上可以将每个量子比特都视作一个光点。”“这是大规模量子硬件的惊人呈现。”

一项关键成就表明，这种规模的扩大并未以牺牲质量为代价。即便单个阵列中拥有超过6000个量子比特，研究团队仍能将它们维持在叠加态约13秒——这几乎是此前同类阵列所能达到时长的近10倍——同时还能以99.98%的精度对单个量子比特进行操控。野村表示：“人们通常认为，规模扩大、原子增多，就会牺牲精度，但我们的成果表明，二者可以兼得。”“没有质量的量子比特毫无用处。如今，我们既保证了数量，又确保了质量。”

在不丢失相干性的前提下移动量子比特

该团队还证明，他们能够在保持叠加态的同时，让原子在阵列中移动数百微米。与超导量子比特等传统硬连线平台相比，量子比特穿梭能力是中性原子量子计算机的一项关键特性，可实现更高效的纠错。

马内茨（Manetsch）将移动单个原子并使其保持叠加态的任务，比作在奔跑时保持水杯的平衡。她表示：“移动时试图固定住一个原子，就如同奔跑时努力不让水杯倾倒；而试图让原子持续处于叠加态，则如同小心翼翼地控制奔跑速度，以免水溅出杯外。”

迈向纠错与纠缠（领域）

该领域下一个重大里程碑是在数千个物理量子比特规模上实现量子纠错，而这项研究表明中性原子是实现这一目标的强有力候选者。巴泰勒（Bataille）表示：“量子计算机必须以一种能容忍错误的方式来编码信息，如此我们才能真正进行有价值的计算。”“与经典计算机不同，由于所谓的不可克隆定理，量子比特无法被简单复制，因此纠错必须依赖更为巧妙的策略。”

展望未来，研究人员计划将阵列中的量子比特相互纠缠，使粒子间产生关联并如一体般运作。纠缠是量子计算机超越单纯在叠加态中存储信息的关键一步；借助纠缠，它们将能够开启完整的量子计算。这也是量子计算机终极力量的源泉——它们能够模拟自然本身，在自然中，纠缠在各个尺度上塑造着物质的行为。目标十分明确：利用纠缠解锁新的科学发现，从揭示物质的新相态，到指导新型材料的设计，再到模拟掌控时空的量子场。

马内奇表示：“我们正在创造机器，以量子力学独有的方式助力我们探索宇宙，这着实令人兴奋。”

参考文献：汉娜·J·马内奇（Hannah J. Manetsch）、野村恭平（Gyohei Nomura）、埃利·巴泰耶（Elie Bataille）、吕旭东（Xudong Lv）、康·H·梁（Kon H. Leung）和曼努埃尔·恩德雷斯（Manuel Endres）所著《由6100个高度相干原子量子比特组成的镊子阵列》，发表于2025年9月24日《自然》期刊。 DOI: 10.1038/s41586-025-09641-4

这项新研究得到了戈登与贝蒂·摩尔基金会、韦斯顿·哈文斯基金会、美国国家科学基金会（通过其研究生研究奖学金计划）、加州理工学院量子信息与物质研究所（IQIM）、美国陆军研究办公室、美国能源部（包括其量子系统加速器项目）、美国国防高级研究计划局、美国空军科学研究办公室、海辛格-西蒙斯基金会以及亚马逊网络服务（AWS）量子博士后奖学金项目的资助。