上個月，借助Amazon Braket，QuEra Computing開始提供對其中性原子量子系統(tǒng)Aquila的訪問, Aquila具有256個量子比特。如今，量子公司的數(shù)量與日俱增，QuEra是其中之一，它成立于2018年，以哈佛大學和麻省理工學院開發(fā)的技術(shù)為基礎(chǔ)，專注于中性原子技術(shù)路線。包括QuEra在內(nèi)的倡導(dǎo)者表示，比起其他方法（如基于半導(dǎo)體的超導(dǎo)系統(tǒng)），中性原子路線具有顯著優(yōu)勢，因為其他方法需要超低溫的工作環(huán)境，并帶來重大的控制和縮放挑戰(zhàn)。

看好基于中性原子的量子比特技術(shù)的公司有：QuEra，Pasqal，Atom Computing和ColdQuanta。他們的穩(wěn)步發(fā)展帶來了更多的市場前景，現(xiàn)在用戶可以訪問新興的基于中性原子的量子系統(tǒng)。QuEra最近在Amazon Braket上的發(fā)布就是一個很好的例子，也是中性原子量子比特技術(shù)向前邁出的又一步。

QuEra規(guī)劃圖的一個突出部分是：首先提供模擬量子計算，然后提供基于模擬門的混合解決方案，最后提供完整的基于容錯門的系統(tǒng)。Pasqal的計劃與此類似。目前，兩者都專注于提供模擬量子系統(tǒng)。值得注意的是，擁有20年歷史的D-Wave Systems開創(chuàng)了基于半導(dǎo)體的量子退火計算，最近擴大了路線圖，包括基于門系統(tǒng)的開發(fā)。

當今量子計算的大部分工作都集中在基于門的系統(tǒng)上。常見的觀點是：基于門的系統(tǒng)是通用的，能夠處理所有計算任務(wù)。另一種主要方法是模擬量子計算，類似于D-Wave所做的。量子模擬系統(tǒng)的工作方式不同，不是執(zhí)行構(gòu)成量子程序的一系列單獨的門函數(shù)，而是以可以直接映射到量子比特集合的方式，制定要解決的問題。就像在自然界中一樣，這個系統(tǒng)可以作為一個整體發(fā)展，利用各種技術(shù)，可以對演變進行一些指導(dǎo)。

本質(zhì)上，量子模擬更像是一個類似于模擬原始問題的實驗，它是一種量子風洞，其中映射的系統(tǒng)行為與自然界中一樣，并融入了所有的量子物理學。像所有量子計算機一樣，結(jié)果是概率性的，因此多次運行問題可以獲得結(jié)果分布，突出所需的、通常也是主要的結(jié)果。事實證明，有各種各樣的問題，包括選擇模擬和優(yōu)化，可以通過這種方式解決。近期，QuEra的論文說明了這樣的系統(tǒng)可以有效地解決最大獨立集合問題，Pasqal的論文闡述了量子進化核方法。

QuEra 公司CEO Alex Keesling說：“現(xiàn)在我們堅信，從現(xiàn)有量子硬件中獲得的最大優(yōu)勢歸功于在硬件上高效運行的應(yīng)用程序，而不是這些抽象的，與硬件無關(guān)的方法?！?/p>

QuEra的中性原子量子計算，是將一團適當?shù)闹行栽鱼湻胖迷谡婵帐抑小?/strong>聚焦的激光照射到腔室中，創(chuàng)建粘性點圖案，其中單個原子被捕獲在二維陣列中。原子本質(zhì)上是相同的，可以避免了很多制造方面的問題。更重要的是，被捕獲的原子可以被激光精確地操縱和移動。

Keesling說：“我們不需要擔心低溫系統(tǒng)。我們只需用一個小真空室，利用通過激光和磁場的光，我們可以將原子減慢到幾乎靜止的狀態(tài)，然后將激光聚焦得非常緊密，從而將原子固定到位。激光還用于控制單個銣原子的狀態(tài)，其價電子可以置于超精細狀態(tài)。不同于相互排斥的離子，原子是中性的，它們可以緊密地包裝在一起。目前我們可以包裝多達256個原子，預(yù)計很快就會有1000個原子。無需重新發(fā)明任何東西，這個系統(tǒng)就可以很容易達到10，000甚至更多個原子。”

原子之間的糾纏是系統(tǒng)的量子比特，是通過將原子泵入里德伯狀態(tài)來實現(xiàn)的，即原子的外殼膨脹。通過將里德伯原子靠得足夠近，使它們的殼重疊，從而使它們糾纏在一起。

Keesling說：“因此，我們可以隔離單個原子，可以控制它們的內(nèi)部狀態(tài)，并為原子定義0和1。該平臺的一大優(yōu)點是，它允許我們實時拍攝原子的圖像，然后移動它們，將它們定位到我們想要的任何配置。QuEra的一個重大進步是：它發(fā)展了以高精度和合適的速度移動單個原子或原子組的能力。這樣，編碼的量子比特就可以放置在映射特定問題所需的位置。

這很重要，因為連通性與原子量子比特的相對位置有關(guān)。優(yōu)勢在于能夠有效地將問題編碼到 “芯片上”的原子配置中，不用回到制造工廠來構(gòu)建新芯片?！?/p>

Keesling表示：從廣義上講，里德伯糾纏范圍是有限制的。QuEra可以超越最近鄰糾纏，使用其他一些技巧，可以越來越多地擴展這個糾纏范圍，與下一個最近鄰居甚至第三個最近鄰居產(chǎn)生糾纏。在本地相互作用的事物之間，我們看到這種相互作用的很多價值。這種重新定位編碼量子比特的能力最終將成為基于門系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

對于我們在系統(tǒng)中的連接上有效地繪制網(wǎng)絡(luò)或圖形，并直接編碼一些困難的組合優(yōu)化問題，然后通過系統(tǒng)的這種模擬演化來解決它們，這種模擬操作模式下的局部連接非常有效。

QuEra的大部分基礎(chǔ)工作由聯(lián)合創(chuàng)始團隊完成，包括：哈佛的Mikhail Lukin、Markus Griener，以及麻省理工學院的Vladan Vuletic、Dirk Englund。QuEra在其網(wǎng)站上發(fā)表了令人印象深刻的科學論文。在確定應(yīng)用領(lǐng)域和技術(shù)方面，正在進行大量工作。該公司目前有一篇論文“使用Rydberg原子陣列進行任意連接的量子優(yōu)化”仍在同行評審中，在ArXiv上可訪問，論文提出了擴展其中性原子平臺上使用的優(yōu)化技術(shù)。摘要如下：

最近，借助基于里德伯原子陣列的可編程量子系統(tǒng)，對具有數(shù)百個量子比特的量子優(yōu)化算法進行了硬件高效測試。結(jié)果證明，單位盤圖上的最大獨立集合問題在這樣的量子系統(tǒng)中是有效可編碼的。通過構(gòu)建從原始計算問題到單位磁盤圖上的最大加權(quán)獨立集問題的顯式映射，擴展了可以在Rydberg數(shù)組中有效編碼的類型，量子比特數(shù)量可以再次被利用。

我們分析了幾個例子，包括：具有任意連通性的圖上的最大加權(quán)獨立集，具有任意或受限連通性的二次無約束二進制優(yōu)化問題，以及整數(shù)分解。在小系統(tǒng)尺寸上的數(shù)值模擬表明：求解映射問題的絕熱時間尺度與原始問題的時間尺度密切相關(guān)。我們的工作為使用Rydberg原子陣列解決具有任意連接性的各種組合優(yōu)化問題提供了藍圖，突破了硬件幾何尺寸的限制。

Keesling對目前正在探索的應(yīng)用程序只字未提。他說：“雖然我們有一些正在進行的合作不能透露。但可以說的是，我們基本上看到了兩類應(yīng)用程序。一個是模擬或構(gòu)建孿生量子，另二個是優(yōu)化問題。

該公司開發(fā)了軟件Bloqade ，Bloqade支持基準測試和算法設(shè)計，結(jié)合了用于量子計算的中性原子陣列的核心優(yōu)勢?？紤]到Julia，靈活的處理器幾何形狀，多量子比特連接和模擬操作模式等功能，Bloqade是一個開源的社區(qū)工具，它可以從GitHub下載或在Amazon Braket上運行。

通過AWS Braket提供Aquila，QuEra在建立其用戶群和市場占有率方面邁出了重要一步。

AWS量子計算總監(jiān)Simone Severini在公告中表示：AWS專注于為客戶提供Amazon Braket平臺，以探索量子計算的科學研究和軟件開發(fā)。Aquila的加入首次為Amazon Braket上的每個人帶來了中性原子量子計算能力。QuEra 的產(chǎn)品有助于擴展可通過 Amazon Braket 執(zhí)行的應(yīng)用程序類型，對于專注于探索中性原子計算的客戶來說，這很有用。

來自馬克斯普朗克量子光學研究所（MPQ）理論部門主任兼負責人Ignacio Cirac是AWS公告中的推薦人之一，他說：“在我們實現(xiàn)容錯通用量子計算機之前，特殊用途的模擬量子設(shè)備會優(yōu)于經(jīng)典計算，直接模擬其他量子系統(tǒng)?！?/p>

目前，QuEra的Aquila確實是一種特殊用途的設(shè)備。近期目標是實現(xiàn)模擬量子計算的一個優(yōu)勢：可以相對容易地增加系統(tǒng)尺寸，實現(xiàn)主動糾錯，糾錯對于擴展基于門的量子系統(tǒng)至關(guān)重要。從長遠來看，QuEra有更大的目標。

Keesling說：“現(xiàn)在我們擁有純模擬平臺，下一步是上線一些功能，將其轉(zhuǎn)變?yōu)榛旌夏M數(shù)字系統(tǒng)。實現(xiàn)這一點的方法是超越量子比特，進入邏輯量子比特，它具有三種狀態(tài)。這是實現(xiàn)更多這些功能的第一步，在有意義的地方，我們可以進行更多的模擬演進，然后對產(chǎn)品進行數(shù)字更改，從而進行更復(fù)雜的計算。建立一個完全數(shù)字化的系統(tǒng)需要一些時間，因為我們正在構(gòu)建的是一種旨在支持邏輯量子比特作為操作單元的架構(gòu)。還需要幾年時間才能完成這種轉(zhuǎn)變。但我們希望，即使在我們的混合模擬數(shù)字系統(tǒng)中，人們也能實現(xiàn)數(shù)字化，并且沒有模擬部分。”

編譯：卉可