引言 研究人员通过编排 549 个原子，制作了一部动画视频，生动地展现了薛定谔的猫思想实验
从左上角开始顺时针方向：几乎无缺陷的二维方形阵列，包含 2,024 个原子；“USTC”字母的二维图案，包含 723 个原子；三层长方体阵列，包含 1,077 个原子；三层扭曲石墨烯结构，包含 752 个原子。| 图片来源：arxiv:2412.14647
量子计算有望通过解决目前超出传统计算机极限的问题，彻底改变科学技术。构建实用量子计算机的关键一步是组装大量无缺陷的量子比特阵列。
8月8日，中国研究人员报告了该领域取得的重大进展，他们开发出一种快速可靠地制造大量中性原子阵列的方法。他们的研究成果发表在《物理评论快报》上。
像铷原子这样的中性原子，可以被被称为光镊的小型激光束捕获和控制。这些原子可作为量子计算和模拟的量子比特。创建由数千个原子精确定位的阵列至关重要，因为它可以实现复杂的量子运算和纠错。然而，将原子完美地放置在大型阵列中是一项巨大的挑战，因为原子是随机加载的，而且经常出现位置缺失的情况。
传统上，组装无缺陷阵列的策略是使用可移动的光镊逐个或逐行移动原子。原子数量越多，这个过程所需的时间就越长。
这项新研究报告称，他们利用人工智能（AI）克服了这一挑战。AI模型利用激光全息图快速计算出同时移动数千个原子的最佳方法，并精确控制它们的位置和相位。
该过程始于一个初始随机阵列，其中一些位置由单个原子占据。然后，人工智能使用一种名为“匈牙利算法”的算法，找到加载原子与目标位置之间的理想配对，从而最小化原子移动所需总距离，同时避免碰撞。
为了防止原子受热和损失，每个移动步骤并非直接一步完成，而是被拆分成大约 20 个小步骤。每一步，AI 模型都会利用光镊生成全息图，同步平滑地移动所有原子。该全息图还能精确控制每个原子的移动位置和光的相位，这对于避免干扰至关重要。
在这种方法中，无论阵列中有 1,000 个原子还是 10,000 个原子，重新排列原子的总时间大致相同。在实验中，科学家们在大约 60 毫秒内组装了多达 2,024 个原子且没有任何缺陷的二维阵列，这比以前的方法速度更快，可扩展性更强。
该人工智能模型是一个卷积神经网络，经过模拟激光全息图训练，能够快速生成高精度全息图，引导原子以最小的损耗进行平滑运动。
实验装置采用了高数值孔径物镜，它可以紧密聚焦激光束，像镊子一样捕获和移动原子。科学家们使用高保真成像相机对原子的位置进行成像。然后，人工智能根据检测到的位置实时计算它们的运动。
该团队还通过在 230 x 230 微米网格中编排 549 个原子，制作了动画版薛定谔猫思想实验的卡通视频。
快速可靠地组装大型无缺陷原子阵列的能力为构建可扩展的量子计算机开辟了新的途径。
2025-07-28
2025-07-25
2025-07-24
