2025年伊始，IT领域的竞争依然围绕着“人工智能（AI）”与“量子计算”如火如荼地展开。2月20日微软宣布经过20年的研究，其推出了首款拓扑量子计算芯片Majorana 1（马约拉纳1号）。据3月1日的《日本经济新闻》报导，日本的日立公司与日本分子科学研究所将在2025年内启动具有世界顶尖性能的“中性原子方式”的量子计算机。
量子计算是最不可思议的一种理论，看各种报导往往如入雾中，化学音痴的笔者为弄清楚事实的真相，常常要阅读大量的资料，苦不堪言。一般读者恐怕也会为孰是孰非而犯愁吧。借此机会，梳理一下“中性原子方式”的量子计算到底是怎样的原理，日本开发这种量子计算机，有何战略意图，将会带来多少先机？
众所周知，量子计算机的核心是量子比特（qubits），这是量子计算中的信息单位，类似于今天计算机使用的二进制。但是，问题在于，量子比特相当脆弱，并且，对环境噪声非常敏感。有名的“薛定谔的猫”说的就是，仅仅观察一下盒子里的猫，便可能影响其死活。也就是说量子比特很不稳定，连被观察一下都会破坏它的叠加态和纠缠性。那又怎么验证其计算结果的正确性并得到正确的答案呢？量子态的不稳定性有可能导致计算错误或数据丢失，这对于计算机来说是毁灭性的结果。这是量子计算目前发展缓慢的核心矛盾。
我们知道目前开发的量子计算机有超导方式、钻石离子阱方式、光量子方式、半导体方式等等，都是处于实验性的阶段，尚未实现经典计算机那样的亿万门电路的级别。日本国内已经拥有的纯国产量子计算机有：由理化学研究所与富士通等公司开发的第一号超导量子计算机，由富士通公司单独开发的第二号超导计算机，以及由大阪大学开发的第三号超导量子计算机。正在研发的有产业综合研究所领衔开发的超导量子计算机等等。可见，超导方式还是占主流。此时，日本再选择中性原子这一技术路径，与其他国家的主流技术（如超导和离子阱）形成差异化竞争，可能会为量子计算的发展开辟新的方向。
那么，中性原子方式的量子计算是如何实现的？
中性原子量子计算机是一种利用激光捕获和操控中性原子（如铷原子或铯原子）作为量子比特的技术路径。中性原子量子计算需要对单个原子进行精确操控，同时还需要解决如何保存操控结果状态的问题。
首先，让我们看看如何操控单个原子。中性原子量子计算使用激光技术来捕获和操控单个原子。具体步骤如下。
激光捕获：使用光学镊子（Optical Tweezers），即高度聚焦的激光束，来捕获单个中性原子（如铷原子或铯原子）。这些激光束可以形成光学晶格（Optical Lattice），将原子固定在特定的位置。
量子态初始化：通过激光冷却技术（如多普勒冷却或偏振梯度冷却），将原子的温度降低到接近绝对零度，使其处于基态。使用激光将原子的内部能级（如超精细能级）初始化为特定的量子态。
量子门操作：通过激光脉冲或微波脉冲，操控原子的内部能级，实现单量子比特门操作（如X门、Y门、Z门）。对于两量子比特门操作（如受控非门，CNOT），通常利用原子的里德堡态（Rydberg State）。里德堡态是原子的高激发态，具有长程相互作用，可以使两个原子之间产生强耦合。
那么，如何保存操控的结果状态呢？中性原子量子计算的保存和读取结果状态依赖于原子的内部能级和激光技术。
量子态存储：量子信息被编码在原子的内部能级（如超精细能级或里德堡态）中。这些能级在激光捕获和冷却的条件下可以保持较长时间的相干性（通常在毫秒到秒量级）。
量子态读取：通过激光诱导荧光（Laser-Induced Fluorescence）来读取原子的量子态。具体来说，使用特定频率的激光照射原子，如果原子处于某个能级，则会发射荧光；否则不会发射。通过检测荧光信号，可以确定原子的量子态。
原子会老老实实地呆在那里吗？在理想情况下，原子会被光学镊子或光学晶格牢牢地固定在特定位置。然而，实际情况中存在如下一些挑战。
原子逃逸：由于热运动或激光强度的波动，原子可能会从光学镊子中逃逸。通过深度冷却和稳定的激光系统，可以最大限度地减少原子逃逸的概率。
环境干扰：外部磁场、电场或激光噪声可能会干扰原子的量子态。通过磁屏蔽、真空环境和高精度激光控制，可以减少环境干扰的影响。
原子损失：在实验过程中，部分原子可能会因为碰撞或其他原因丢失。通过“原子重装载（Atom Reloading）”技术，可以补充丢失的原子，保持系统的完整性。
如何提高中性原子量子计算的稳定性？为了提高中性原子量子计算的稳定性和可靠性，研究人员会采取以下措施。
高真空环境：实验通常在超高真空（UHV）环境中进行，以减少原子与背景气体的碰撞。
低温冷却：使用激光冷却和蒸发冷却技术，将原子的温度降低到微开尔文量级，以减少热运动的影响。
激光稳定化：使用高精度的激光系统和反馈控制技术，确保激光强度和频率的稳定性。
量子纠错：通过量子纠错码（如表面码）来检测和纠正量子态中的错误，提高计算的可靠性。
通过上述观察，我们可以得知，与其他量子计算技术（如超导量子比特或离子阱）相比，中性原子方式具有以下潜在优势。
相干时间长：中性原子与环境相互作用较弱，量子态可以保持较长时间。
可扩展性强：通过激光阵列，可以同时操控大量原子，理论上更容易实现大规模量子比特的集成。
高精度操控：利用激光技术，可以实现对单个原子的精确操控。
前面提到的微软公司开发的拓扑量子计算方式也有抗噪声能力强、错误率低、以及可扩展性的特点。只是拓扑量子计算跟超导量子计算类似，也必须在超低温环境下工作。限于篇幅的限制，在此不再对其原理赘述。
再看日立与分子科学研究所的合作，不难发现这是一种强强合作。日立公司作为日本领先的综合科技企业，在激光技术、光子通信、以及量子技术领域有着深厚的技术积累，而分子科学研究所在原子和分子操控方面具有世界领先的研究水平。两者的合作有望推动中性原子量子计算机的实用化进程。
回忆起来，日本吹响进军“中性原子量子计算”的集结号是2024年3月，距今刚好过去一年的时间，原计划2026年完成试制机，2030年之前实现实用化。现在看来，这个项目比原计划进展顺利，将在2025年内启动并投入运行。这一时间点表明，日本希望在量子计算的全球竞争中加速布局，争取在中性原子这一技术路径上取得领先地位。从现在的技术路径图上看，如果按计划研发成功的话，该项目将成为世界顶尖水平。这意味着它将进一步提升日本在量子计算领域的国际影响力，并为未来的量子应用（如材料设计、药物研发、金融建模等）提供强有力的工具。
供稿 / 戴维
编辑 JST客观日本编辑部
