在眾多量子計(jì)算技術(shù)路線中，中性原子（Neutral Atom）方案近年來異軍突起。與谷歌、IBM 主導(dǎo)的超導(dǎo)路線不同，中性原子路線利用高度聚焦的激光束（光鑷），在真空中通過捕獲單個(gè)原子作為量子比特。

這個(gè)方案的優(yōu)勢十分突出，因?yàn)樵邮翘烊坏臉?biāo)準(zhǔn)化粒子，無需人工制造，且極易通過光學(xué)手段擴(kuò)展到數(shù)千個(gè)比特的規(guī)模。

但這個(gè)架構(gòu)也存在一個(gè)致命弱點(diǎn)：系統(tǒng)的脆弱性。盡管光鑷陣列處于極高真空環(huán)境中，但背景氣體中的殘余分子仍會(huì)偶爾與被捕獲的原子發(fā)生碰撞。這種微觀層面的碰撞雖不可預(yù)測，但后果卻是確定的——原子會(huì)從光鑷中逃逸。此外，在執(zhí)行量子門操作或讀出測量時(shí)，激光帶來的微小加熱效應(yīng)也可能導(dǎo)致原子丟失。

而一旦某個(gè)光鑷中的原子丟失，整個(gè)量子寄存器的結(jié)構(gòu)就會(huì)被破壞，正在進(jìn)行的計(jì)算任務(wù)隨即失效。工程師們必須停止計(jì)算，并重新初始化。這個(gè)中斷-重啟的過程，不僅限制了量子計(jì)算機(jī)的連續(xù)運(yùn)行時(shí)間，也使得需要長時(shí)間運(yùn)行的復(fù)雜算法變得遙遠(yuǎn)。

針對這個(gè)問題，量子計(jì)算硬件公司 Atom Computing 在近日實(shí)現(xiàn)了技術(shù)突破，讓量子計(jì)算機(jī)在無需中斷的情況下實(shí)現(xiàn)“自我修復(fù)”。

12 月 18 日，該公司研究團(tuán)隊(duì)在物理學(xué)權(quán)威期刊 Physical Review X 上發(fā)表論文，宣布成功開發(fā)出一套“原子實(shí)時(shí)回收系統(tǒng)”。該系統(tǒng)能夠在量子計(jì)算機(jī)運(yùn)行過程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測并填補(bǔ)丟失的原子，同時(shí)對輔助量子比特進(jìn)行重置和再利用。

（來源：Physical Review X）

Atom Computing 此次發(fā)布的成果，實(shí)際上是在量子芯片內(nèi)部構(gòu)建了一套動(dòng)態(tài)的物流與維護(hù)系統(tǒng)。其核心邏輯不是追求絕對不丟失原子，而是實(shí)現(xiàn)“丟失即補(bǔ)位”和“用完即回收”。

根據(jù)論文描述，研究團(tuán)隊(duì)使用鐿（Ytterbium, Yb）原子構(gòu)建了量子寄存器。鐿原子被稱為“天然量子比特”，擁有兩個(gè)穩(wěn)定的基態(tài)，且其量子比特躍遷頻率與用于冷卻、成像的光學(xué)頻率之間存在巨大的差異。這種特殊的能級結(jié)構(gòu)，使得研究人員可以在不干擾周圍量子比特（即不破壞其量子態(tài)）的情況下，對特定的原子進(jìn)行操作。

基于這一物理特性，Atom Computing 開發(fā)了一套閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對于原子的持續(xù)監(jiān)測，回收和供應(yīng)。

圖 | 量子回收方法示意圖（來源：論文）

首先是對原子陣列的實(shí)時(shí)全域監(jiān)控。該系統(tǒng)會(huì)在計(jì)算周期的間隙，利用成像系統(tǒng)對光鑷陣列進(jìn)行快速掃描。這相當(dāng)于在微觀層面部署了數(shù)百個(gè)即時(shí)監(jiān)控探頭，能夠毫秒級地判斷哪些位置的原子已經(jīng)“掉隊(duì)”，或者哪些輔助量子比特已經(jīng)完成了任務(wù)并處于非相干狀態(tài)。

接著，為了解決原子來源問題，研究團(tuán)隊(duì)在主計(jì)算陣列下方約 300 納米處，建立了一個(gè)磁光阱（Magneto-Optical Trap, MOT）。這個(gè)區(qū)域儲(chǔ)存著一團(tuán)處于待命狀態(tài)的冷原子云，充當(dāng)了系統(tǒng)的“備用資源池”。

圖 | 鑷子陣列中的原子補(bǔ)充過程（來源：論文）

當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)計(jì)算陣列中出現(xiàn)空缺時(shí)，光鑷會(huì)像機(jī)械臂一樣，從下方的備用庫中抓取一個(gè)新的原子，并將其精確地移動(dòng)到空缺位置。與此同時(shí)，對于那些在量子糾錯(cuò)過程中被測量過、狀態(tài)已經(jīng)坍縮的輔助原子，系統(tǒng)會(huì)將它們暫時(shí)移出計(jì)算區(qū)，利用特定波長的激光對其進(jìn)行冷卻和重新初始化，然后再送回陣列中繼續(xù)使用。

這一過程的難點(diǎn)在于讓量子比特“無感”。在量子計(jì)算中，任何雜散光或電磁干擾都可能導(dǎo)致處于疊加態(tài)的量子比特退相干。Atom Computing 團(tuán)隊(duì)通過精細(xì)的光路設(shè)計(jì)和時(shí)序控制，確保了在對輔助原子進(jìn)行清洗和搬運(yùn)時(shí)，不會(huì)對正在執(zhí)行邏輯運(yùn)算的數(shù)據(jù)量子比特產(chǎn)生串?dāng)_（Crosstalk）。

Atom Computing 的研究員馬特·諾西亞（Matt Norcia）在接受采訪時(shí)表示，這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵在于維持原子數(shù)量的穩(wěn)態(tài)。“據(jù)我們所知，任何有實(shí)用價(jià)值的量子計(jì)算都需要執(zhí)行多層邏輯門，如果不能在整個(gè)計(jì)算過程中將原子數(shù)量維持在一個(gè)穩(wěn)定水平，這一切都是不可能實(shí)現(xiàn)的?！?/p>

從“一次性耗材”到“循環(huán)利用”

這項(xiàng)技術(shù)的意義遠(yuǎn)不止于延長運(yùn)行時(shí)間，它直接觸及了實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)量子計(jì)算（Fault-Tolerant Quantum Computing）的核心成本問題。

在通往通用量子計(jì)算機(jī)的道路上，量子糾錯(cuò)是必經(jīng)關(guān)卡。由于單個(gè)物理量子比特難免出錯(cuò)，科學(xué)家需要將多個(gè)物理比特糾纏在一起，編碼成一個(gè)邏輯比特。在這個(gè)過程中，需要大量的輔助量子比特（Ancilla Qubits）不斷地對數(shù)據(jù)比特進(jìn)行測量，以探測并修正錯(cuò)誤。

在傳統(tǒng)的糾錯(cuò)方案中，輔助比特往往被視為“一次性耗材”。一旦它們完成了測量任務(wù)，或者在測量過程中受熱丟失，就無法再被使用。這種模式導(dǎo)致了極高的資源消耗率——隨著計(jì)算規(guī)模的擴(kuò)大和糾錯(cuò)周期的拉長，系統(tǒng)會(huì)迅速耗盡可用的原子，導(dǎo)致計(jì)算崩潰。

Atom Computing 的“原子回收”技術(shù)改變了這一成本結(jié)構(gòu)。通過循環(huán)使用輔助比特，系統(tǒng)不再需要為了維持計(jì)算而無休止地增加初始原子的裝載量。這就像是把火箭從“一次性拋棄”變成了“垂直回收復(fù)用”，極大地降低了維持長壽命邏輯量子比特所需的物理開銷。

在實(shí)驗(yàn)中，該團(tuán)隊(duì)展示了在極低損耗的前提下，通過中路測量（Mid-circuit Measurement）檢測錯(cuò)誤，并成功補(bǔ)充原子而不中斷計(jì)算。這種能力對于運(yùn)行復(fù)雜的量子糾錯(cuò)碼（如表面碼或色碼）至關(guān)重要。

從實(shí)驗(yàn)室到工程落地

Atom Computing 的這一技術(shù)進(jìn)展并非單純的實(shí)驗(yàn)室成果，作為中性原子領(lǐng)域的頭部企業(yè)，該公司近年來在商業(yè)落地上動(dòng)作頻頻。

早在 2024 年，Atom Computing 就宣布其計(jì)算平臺(tái)突破了 1,000 物理量子比特的規(guī)模，且在相干時(shí)間這一關(guān)鍵指標(biāo)上表現(xiàn)優(yōu)異。此次實(shí)時(shí)回收技術(shù)的發(fā)布，進(jìn)一步補(bǔ)齊了其在系統(tǒng)穩(wěn)定性上的短板。

這一技術(shù)實(shí)力也得到了美國官方與科技巨頭的雙重認(rèn)可。2025 年 11 月 7 日，美國國防高等研究計(jì)劃局（DARPA）宣布 Atom Computing 正式入選“量子基準(zhǔn)測試計(jì)劃”（Quantum Benchmarking Initiative, QBI）的 B 階段。

QBI 計(jì)劃是美國政府旨在評估和加速“效用級”量子計(jì)算機(jī)開發(fā)的核心項(xiàng)目。入選 B 階段意味著 DARPA 認(rèn)可 Atom Computing 的技術(shù)路線具有在近期實(shí)現(xiàn)工業(yè)實(shí)用價(jià)值的潛力，并將在未來一年內(nèi)要求其提交詳細(xì)的研發(fā)計(jì)劃和原型機(jī)驗(yàn)證，以消除邁向大規(guī)模計(jì)算的風(fēng)險(xiǎn)。

與此同時(shí)，微軟（Microsoft）與 Atom Computing 的合作也在持續(xù)深化。微軟為 Atom Computing 的硬件提供了頂層的算法支持和糾錯(cuò)編碼方案。近期，雙方聯(lián)合演示了 24 個(gè)糾纏邏輯量子比特，并利用 28 個(gè)邏輯比特進(jìn)行了誤差檢測和修正演示。微軟的糾錯(cuò)算法需要底層硬件提供極其穩(wěn)定的物理比特流，而 Atom Computing 新發(fā)布的原子回收系統(tǒng)，正是支撐這一需求的關(guān)鍵底層能力。

（來源：Atom Computing）

邁向“永動(dòng)機(jī)”時(shí)代的門票

雖然將量子計(jì)算機(jī)稱為“永動(dòng)機(jī)”在物理學(xué)上并不準(zhǔn)確，但從計(jì)算任務(wù)的執(zhí)行層面來看，Atom Computing 的技術(shù)確實(shí)讓量子計(jì)算機(jī)具備了理論上無限期運(yùn)行的可能性。

過去，量子計(jì)算的演示往往像是一次屏住呼吸的百米沖刺，科學(xué)家們必須在系統(tǒng)崩潰前的短暫窗口內(nèi)搶出結(jié)果。而現(xiàn)在，隨著原子實(shí)時(shí)檢測、補(bǔ)位與回收技術(shù)的閉環(huán)跑通，量子計(jì)算正在演變?yōu)橐粓隹梢猿掷m(xù)的馬拉松。

當(dāng)然，從原理驗(yàn)證到大規(guī)模商業(yè)化部署，仍有復(fù)雜的工程挑戰(zhàn)。例如，如何在大規(guī)模陣列中進(jìn)一步提高原子運(yùn)輸?shù)乃俣扰c精度，如何將控制系統(tǒng)的延遲降至更低，以及如何應(yīng)對隨著比特?cái)?shù)增加而指數(shù)級上升的布線與信號(hào)處理復(fù)雜度。這些問題，仍在等待新的答案。

1.論文：https://doi.org/10.1103/PhysRevX.14.041049

2.https://atom-computing.com/atom-computing-selected-by-darpa-for-the-next-stage-of-exploring-near-term-utility-scale-quantum-computing-with-neutral-atoms/

運(yùn)營/排版：何晨龍