量子計算硬件初創攻克原子丟失難題，顯著延長有效運算時間

在眾多量子計算技術路線中，中性原子（Neutral Atom）方案近年來異軍突起。與谷歌、IBM 主導的超導路線不同，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原子作為量子比特。

這個方案的優勢十分突出，因為原子是天然的標準化粒子，無需人工制造，且極易通過光學手段擴展到數千個比特的規模。

但這個架構也存在一個致命弱點：系統的脆弱性。盡管光鑷陣列處于極高真空環境中，但背景氣體中的殘余分子仍會偶爾與被捕獲的原子發生碰撞。這種微觀層面的碰撞雖不可預測，但后果卻是確定的——原子會從光鑷中逃逸。此外，在執行量子門操作或讀出測量時，激光帶來的微小加熱效應也可能導致原子丟失。

而一旦某個光鑷中的原子丟失，整個量子寄存器的結構就會被破壞，正在進行的計算任務隨即失效。工程師們必須停止計算，并重新初始化。這個中斷-重啟的過程，不僅限制了量子計算機的連續運行時間，也使得需要長時間運行的復雜算法變得遙遠。

針對這個問題，量子計算硬件公司 Atom Computing 在近日實現了技術突破，讓量子計算機在無需中斷的情況下實現“自我修復”。

12 月 18 日，該公司研究團隊在物理學權威期刊 Physical Review X 上發表論文，宣布成功開發出一套“原子實時回收系統”。該系統能夠在量子計算機運行過程中，實時監測并填補丟失的原子，同時對輔助量子比特進行重置和再利用。

（來源：Physical Review X）

Atom Computing 此次發布的成果，實際上是在量子芯片內部構建了一套動態的物流與維護系統。其核心邏輯不是追求絕對不丟失原子，而是實現“丟失即補位”和“用完即回收”。

根據論文描述，研究團隊使用鐿（Ytterbium, Yb）原子構建了量子寄存器。鐿原子被稱為“天然量子比特”，擁有兩個穩定的基態，且其量子比特躍遷頻率與用于冷卻、成像的光學頻率之間存在巨大的差異。這種特殊的能級結構，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）的情況下，對特定的原子進行操作。

基于這一物理特性，Atom Computing 開發了一套閉環控制系統，實現對于原子的持續監測，回收和供應。

圖 | 量子回收方法示意圖（來源：論文）

首先是對原子陣列的實時全域監控。該系統會在計算周期的間隙，利用成像系統對光鑷陣列進行快速掃描。這相當于在微觀層面部署了數百個即時監控探頭，能夠毫秒級地判斷哪些位置的原子已經“掉隊”，或者哪些輔助量子比特已經完成了任務并處于非相干狀態。

接著，為了解決原子來源問題，研究團隊在主計算陣列下方約 300 納米處，建立了一個磁光阱（Magneto-Optical Trap, MOT）。這個區域儲存著一團處于待命狀態的冷原子云，充當了系統的“備用資源池”。

圖 | 鑷子陣列中的原子補充過程（來源：論文）

當監控系統發現計算陣列中出現空缺時，光鑷會像機械臂一樣，從下方的備用庫中抓取一個新的原子，并將其精確地移動到空缺位置。與此同時，對于那些在量子糾錯過程中被測量過、狀態已經坍縮的輔助原子，系統會將它們暫時移出計算區，利用特定波長的激光對其進行冷卻和重新初始化，然后再送回陣列中繼續使用。

這一過程的難點在于讓量子比特“無感”。在量子計算中，任何雜散光或電磁干擾都可能導致處于疊加態的量子比特退相干。Atom Computing 團隊通過精細的光路設計和時序控制，確保了在對輔助原子進行清洗和搬運時，不會對正在執行邏輯運算的數據量子比特產生串擾（Crosstalk）。

Atom Computing 的研究員馬特·諾西亞（Matt Norcia）在接受采訪時表示，這項技術的關鍵在于維持原子數量的穩態。“據我們所知，任何有實用價值的量子計算都需要執行多層邏輯門，如果不能在整個計算過程中將原子數量維持在一個穩定水平，這一切都是不可能實現的。”

從“一次性耗材”到“循環利用”

這項技術的意義遠不止于延長運行時間，它直接觸及了實現容錯量子計算（Fault-Tolerant Quantum Computing）的核心成本問題。

在通往通用量子計算機的道路上，量子糾錯是必經關卡。由于單個物理量子比特難免出錯，科學家需要將多個物理比特糾纏在一起，編碼成一個邏輯比特。在這個過程中，需要大量的輔助量子比特（Ancilla Qubits）不斷地對數據比特進行測量，以探測并修正錯誤。

在傳統的糾錯方案中，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，或者在測量過程中受熱丟失，就無法再被使用。這種模式導致了極高的資源消耗率——隨著計算規模的擴大和糾錯周期的拉長，系統會迅速耗盡可用的原子，導致計算崩潰。

Atom Computing 的“原子回收”技術改變了這一成本結構。通過循環使用輔助比特，系統不再需要為了維持計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。

在實驗中，該團隊展示了在極低損耗的前提下，通過中路測量（Mid-circuit Measurement）檢測錯誤，并成功補充原子而不中斷計算。這種能力對于運行復雜的量子糾錯碼（如表面碼或色碼）至關重要。

從實驗室到工程落地

Atom Computing 的這一技術進展并非單純的實驗室成果，作為中性原子領域的頭部企業，該公司近年來在商業落地上動作頻頻。

早在 2024 年，Atom Computing 就宣布其計算平臺突破了 1,000 物理量子比特的規模，且在相干時間這一關鍵指標上表現優異。此次實時回收技術的發布，進一步補齊了其在系統穩定性上的短板。

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

QBI 計劃是美國政府旨在評估和加速“效用級”量子計算機開發的核心項目。入選 B 階段意味著 DARPA 認可 Atom Computing 的技術路線具有在近期實現工業實用價值的潛力，并將在未來一年內要求其提交詳細的研發計劃和原型機驗證，以消除邁向大規模計算的風險。

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

（來源：Atom Computing）

邁向“永動機”時代的門票

雖然將量子計算機稱為“永動機”在物理學上并不準確，但從計算任務的執行層面來看，Atom Computing 的技術確實讓量子計算機具備了理論上無限期運行的可能性。

過去，量子計算的演示往往像是一次屏住呼吸的百米沖刺，科學家們必須在系統崩潰前的短暫窗口內搶出結果。而現在，隨著原子實時檢測、補位與回收技術的閉環跑通，量子計算正在演變為一場可以持續的馬拉松。

當然，從原理驗證到大規模商業化部署，仍有復雜的工程挑戰。例如，如何在大規模陣列中進一步提高原子運輸的速度與精度，如何將控制系統的延遲降至更低，以及如何應對隨著比特數增加而指數級上升的布線與信號處理復雜度。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/

運營/排版：何晨龍