“Harvard-MIT团队新突破：3000比特碱金属原子阵列的连续运行”中介绍， Harvard-MIT 团队已经掌握了碱金属原子的连续运行技术。更进一步地，他们开始逐步探索通用容错量子计算的架构性问题。其工作的重要意义在于，在实验上范式性地展示了通用容错量子计算架构及其所有核心元素，逻辑比特错误率得到压制，并且在逻辑比特层面实现了普适逻辑门。通用容错的原子量子计算已经初具雏形。
原子阵列的通用容错量子计算架构
Harvard-MIT 团队实现了碱金属原子中的可分辨原子丢失的量子态探测。之前的碱金属原子实验中，量子态探测是通过把其中一个态的原子用共振光推走扔掉，再成像，通过原子是否还留存来判断量子态，也就是把量子态信息转化为丢失信息。但是，这样一方面无法分辨原子是处在一个态还是本来就丢失（即不能检测丢失错误），另一方面无论如何该原子不能再次使用。而这项工作中，他们在成像时施加了一个光晶格，然后通过类似 Stern-Gerlach 实验的方式，让处在不同量子态的原子在空间上分离，也就是把量子态信息转化为位置信息。这样，既可以高保真的实现量子态探测，又可以分辨原子是否有丢失错误，如果原子没有丢失，还可以重新初始化、继续复用。
图1 碱金属原子中可分辨丢失的量子态探测。
有了这些技术的加成，就可以进行连续纠错操作了。他们首先展示了“低于阈值”的表现，也就是“越纠越对”。随着码距增加，逻辑比特错误率指数下降。他们使用不同码距的表面码对比了每轮操作的逻辑比特错误率，发现码距为 5 的表面码的每轮错误率比码距为 3 的低 2.14(13) 倍，这个数字和2024年底 Google Willow 的数据基本持平。他们特别提到，他们在这里使用了机器学习解码器。机器学习解码和原子损失探测的应用，共同把纠错表现提升了约 1.73 倍。对于码距为 5 的表面码，他们实现了每轮 0.62(3)% 的逻辑比特错误率。在不发生原子丢失的时候，这个数字可以提升到 0.1% 左右。这与他们的实验中大致一半的错误来源于原子丢失是吻合的。
图2 通用、容错的原子量子计算架构。
能够探测、纠正包括原子损失在内的各种错误，量子线路的运行深度原则上就可以扩展下去。在此基础上，他们运行了逻辑比特之间的量子逻辑门，并在量子逻辑门之间穿插纠错操作，探索这两者之间的配合。他们对比了“横截”（transversal）和“格点手术”（lattice surgery）两种逻辑门的操作方式，展示了“横截”方式对故意注入的测量错误是更不敏感的。他们还研究了两次纠错之间逻辑门个数对逻辑操作错误率的影响。相比于物理比特，最终的逻辑比特量子门性能依赖于更多参数和线路的设置，包括两次纠错之间运行的逻辑门个数、解码成功率及其随逻辑门次数恶化的程度（或者简单地说，错误在编码中的累积效果）等。他们在论文预印本中给出了一个逻辑比特保真度的简单模型
最后，为了展示逻辑比特层面的通用容错计算能力，他们初步演示了容错的逻辑比特普适门和无错误累积的逻辑比特深层线路。值得注意的是，他们引入逻辑比特测量，并且利用“传送”（teleportation）的方案。这样一来，就可以绕开Eastin-Knill定理的限制，在都使用“横截”方案的情况下，用离散的数字门操作，以指数的精确度逼近任意的模拟量子态旋转操作，实现普适门操作。“传送”方案还可以实现在逻辑信息在线路中传播的同时，物理比特的错误并不传播。结合他们发展的线路中原子复用技术，在把测量、重初始化、冷却等物理比特层面的线路中操作也都优化得比较好后，他们用不同维度、不同编码的“簇态”（cluster state）的制备和测试演示了逻辑比特层面的算法运行，展示了恒熵运行（简单说就是错误不累积）的结果，并且实验周期重复频率也提高了两个数量级。
—— 结语
这项工作演示了使用原子路线实施容错量子计算的可靠架构方案，通用容错量子计算的核心元素在一个平台上得到展示，是原子量子计算乃至量子计算领域的一次里程碑式进展。这意味着，接下来的实验，需要、也有能力试验关于通用、容错方面的理论方案。原子量子计算平台的发展，进入到一个必须同通用容错逻辑操作方案的理论研究紧密结合的阶段。
文献
[1] D. Bluvstein, et al., Architectural mechanisms of a universal fault-tolerant quantum computer, Preprint at http://arxiv.org/abs/2506.20661.
