2025年伊始，IT領域的競爭依然圍繞著「人工智慧（AI）」與「量子計算」如火如荼地展開。2月20日微軟宣佈經過20年的研究，其推出了首款拓撲量子計算晶片Majorana 1（馬約拉納1號）。據3月1日的《日本經濟新聞》報導，日本的日立公司與日本分子科學研究所將在2025年內啟動具有世界頂尖性能的「中性原子方式」的量子計算機。
量子計算是最不可思議的一種理論，看各種報導往往如入霧中，化學音癡的筆者為弄清楚事實的真相，常常要閱讀大量的資料，苦不堪言。一般讀者恐怕也會為孰是孰非而犯愁吧。藉此機會，梳理一下「中性原子方式」的量子計算到底是怎樣的原理，日本開發這種量子計算機，有何戰略意圖，將會帶來多少先機？
眾所周知，量子計算機的核心是量子位元（qubits），這是量子計算中的資訊單位，類似於今天計算機使用的二進制。但是，問題在於，量子位元相當脆弱，並且，對環境噪聲非常敏感。有名的「薛定諤的貓」說的就是，僅僅觀察一下盒子裏的貓，便可能影響其死活。也就是說量子位元很不穩定，連被觀察一下都會破壞它的疊加態和糾纏性。那又怎麼驗證其計算結果的正確性並得到正確的答案呢？量子態的不穩定性有可能導致計算錯誤或數據丟失，這對於計算機來說是毀滅性的結果。這是量子計算目前發展緩慢的核心矛盾。
我們知道目前開發的量子計算機有超導方式、鑽石離子阱方式、光量子方式、半導體方式等等，都是處於實驗性的階段，尚未實現經典計算機那樣的億萬閘的級別。日本國內已經擁有的純國產量子計算機有：由理化學研究所與富士通等公司開發的第一號超導量子計算機，由富士通公司單獨開發的第二號超導計算機，以及由大阪大學開發的第三號超導量子計算機。正在研發的有產業綜合研究所領銜開發的超導量子計算機等等。可見，超導方式還是佔主流。此時，日本再選擇中性原子這一技術路徑，與其他國家的主流技術（如超導和離子阱）形成差異化競爭，可能會為量子計算的發展開闢新的方向。
那麼，中性原子方式的量子計算是如何實現的？
中性原子量子計算機是一種利用雷射捕獲和操控中性原子（如銣原子或銫原子）作為量子位元的技術路徑。中性原子量子計算需要對單個原子進行精確操控，同時還需要解決如何保存操控結果狀態的問題。
首先，讓我們看看如何操控單個原子。中性原子量子計算使用雷射技術來捕獲和操控單個原子。具體步驟如下。
雷射捕獲：使用光學鑷子（Optical Tweezers），即高度聚焦的雷射束，來捕獲單箇中性原子（如銣原子或銫原子）。這些雷射束可以形成光學晶格（Optical Lattice），將原子固定在特定的位置。
量子態初始化：通過雷射冷卻技術（如多普勒冷卻或偏振梯度冷卻），將原子的溫度降低到接近絕對零度，使其處於基態。使用雷射將原子的內部能階（如超精細能階）初始化為特定的量子態。
量子門操作：通過雷射脈衝或微波脈衝，操控原子的內部能階，實現單量子位元門操作（如X門、Y門、Z門）。對於兩量子位元門操作（如受控反閘，CNOT），通常利用原子的裏德堡態（Rydberg State）。裏德堡態是原子的高激發態，具有長程相輔作用，可以使兩個原子之間產生強耦合。
那麼，如何保存操控的結果狀態呢？中性原子量子計算的保存和擷取結果狀態依賴於原子的內部能階和雷射技術。
量子態存儲：量子資訊被編碼在原子的內部能階（如超精細能階或裏德堡態）中。這些能階在雷射捕獲和冷卻的條件下可以保持較長時間的相干性（通常在毫秒到秒規模）。
量子態擷取：通過雷射誘導螢光（Laser-Induced Fluorescence）來擷取原子的量子態。具體來說，使用特定頻率的雷射照射原子，如果原子處於某個能階，則會發射螢光；否則不會發射。通過檢測熒燈火信號，可以確定原子的量子態。
原子會老老實實地呆在那裡嗎？在理想情況下，原子會被光學鑷子或光學晶格牢牢地固定在特定位置。然而，實際情況中存在如下一些挑戰。
原子逃逸：由於熱運動或激光強度的波動，原子可能會從光學鑷子中逃逸。通過深度冷卻和穩定的激光系統，可以最大限度地減少原子逃逸的概率。
環境失調：外部磁場、電場或雷射噪音可能會幹擾原子的量子態。通過磁屏、真空環境和高精度雷射控制，可以減少環境失調的影響。
原子損失：在實驗過程中，部分原子可能會因為碰撞或其他原因丟失。通過「原子重裝載（Atom Reloading）」技術，可以補充丟失的原子，保持系統的完整性。
如何提高中性原子量子計算的穩定性？為了提高中性原子量子計算的穩定性和可靠性，研究人員會採取以下措施。
高真空環境：實驗通常在超高真空（UHV）環境中進行，以減少原子與背景氣體的碰撞。
低溫冷卻：使用雷射冷卻和蒸發冷卻技術，將原子的溫度降低到微克耳文規模，以減少熱運動的影響。
雷射穩定化：使用高精度的激光系統和反饋控制技術，確保激光強度和頻率的穩定性。
量子糾錯：通過量子糾錯碼（如表面碼）來檢測和糾正量子態中的錯誤，提高計算的可靠性。
通過上述觀察，我們可以得知，與其他量子計算技術（如超導量子位元或離子阱）相比，中性原子方式具有以下潛在優勢。
相干時間長：中性原子與環境相輔作用較弱，量子態可以保持較長時間。
延伸性強：通過雷射陣列，可以同時操控大量原子，理論上更容易實現大規模數子位元的整合。
高精度操控：利用雷射技術，可以實現對單個原子的精確操控。
前面提到的微軟公司開發的拓撲量子計算方式也有抗噪音能力強、錯誤率低、以及延伸性的特點。只是拓撲量子計算跟超導量子計算類似，也必須在超低溫環境下工作。限於篇幅的限制，在此不再對其原理贅述。
再看日立與分子科學研究所的合作，不難發現這是一種強強合作。日立公司作為日本領先的綜合科技企業，在雷射技術、光量子通信、以及量子技術領域有著深厚的技術積累，而分子科學研究所在原子和分子操控方面具有世界領先的研究水平。兩者的合作有望推動中性原子量子計算機的實用化進程。
回憶起來，日本吹響進軍「中性原子量子計算」的集結號是2024年3月，距今剛好過去一年的時間，原計劃2026年完成試製機，2030年之前實現實用化。現在看來，這個項目比原計劃進展順利，將在2025年內啟動並投入運行。這一時間點表明，日本希望在量子計算的全球競爭中加速佈局，爭取在中性原子這一技術路徑上取得領先地位。從現在的技術路徑圖上看，如果按計劃研發成功的話，該項目將成為世界頂尖水平。這意味著它將進一步提升日本在量子計算領域的國際影響力，並為未來的量子應用（如材料設計、藥物研發、金融建模等）提供強有力的工具。
供稿 / 戴維
編輯 JST客觀日本編輯部
