不到60毫秒成功构建多达2024个原子的无缺陷二维和三维原子阵列，刷新了中性原子体系无缺陷原子阵列规模的世界纪录，这是中国科研团队的亮眼突破。今天记者获悉，上海量子科学研究中心（合肥实验室上海基地）、上海人工智能实验室、中国科学技术大学联合团队，利用人工智能技术，实现高度并行性以及与阵列规模无关的常数时间消耗，高效实现中性原子体系无缺陷原子规模阵列。该实验在上海首次构建成功，为大规模中性原子量子计算奠定了关键技术基础。相关研究成果于2025年8月9日以“编辑推荐”的形式发表在国际学术期刊《物理评论快报》上，并被美国物理学会《物理》作为研究亮点专门报道。
中性原子体系因优异的扩展性、高保真度量子门、高并行性和任意的连接性，成为极具潜力的量子计算和量子模拟平台，吸引了全球科学家的关注。在这一领域，通常使用光镊阵列囚禁中性原子牛盘宝，通过重排技术将初始随机填充的原子阵列转换成无缺陷原子阵列，在此基础上进行量子逻辑门操作。“传统方式只能逐个活动或一次挪动几个原子，但是随着阵列规模增大，效率就成为了阻碍。”上海人工智能实验室青年科学家、上海创智学院全时导师钟翰森解释，受限于阵列规模增长的时间复杂度、原子丢失、计算速度等，阵列规模停留在几百个原子的水平，难以进一步扩展。
如果无法高效获得无缺陷原子阵列，等于无法完成量子计算的初始化，何谈未来。既然一次一次排太慢，索性集体重排，同步移动。在上海人工智能实验室，研究团队创新性地研发人工智能技术，实时驱动高速空间光调制器进行动态刷新，通过对光镊阵列位置和相位的精确控制，同时移动所有原子。
研究团队演示了二维和三维原子阵列的任意构型重排牛盘宝，实现了高达2024个原子的无缺陷阵列，总耗时仅为60毫秒。
值得一提的是，随着原子阵列规模增大，该重排方法耗时保持不变，因此未来可以直接应用于数万原子规模的无缺陷阵列重排。
目前，该系统单比特门保真度达99.97%，双比特门保真度达99.5%，探测保真度达99.92%，已追平以美国哈佛大学为代表的国际最高水平，为构建基于中性原子阵列的容错通用量子计算机奠定了技术基础。
数千原子无缺陷二维和三维阵列重排实验结果图
审稿人高度评价这项研究工作，认为这一工作“通过组装2024个原子的阵列创造了新的纪录”（establishes a new record by assembling 2,024 atom arrays），“标志着原子相关量子物理领域在计算效率和实验可行性方面的一次重大飞跃”（marks a significant leap forward in computational efficiency and experimental feasibility within atom-related quantum physics），“是一种创新的方法，具有明确且实用的优势，对于原子阵列实验这一庞大且不断发展的研究群体将具有重要吸引力”（an innovative approach, which provides a clear, practical benefit that will be of interest to the large, and growing community of atom array experiments）。
研究成果发布后，也引起国际同行的热切关注。“从时间上看，中国的中性原子量子计算启动较晚，但随着追赶，我们在例如无缺陷原子阵列数量规模领先，在其他一些关键指标例如逻辑门操作进度等方面可达到并驾齐驱。”中国科学技术大学上海研究院执行院长、上海量子科学研究中心副主任指出，中国正处于从跟跑到领跑的过程，在人才、市场、资金等方面还有一些差距。不过，研究团队认为牛盘宝，此次获得的成果是中性原子量子计算的核心技术和部件，未来随着量子计算这一路线的发展，这项“源自上海”（born in Shanghai）的技术但求所在。
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