错误是量子计算的噩梦，而且难以避免。量子比特是量子计算机的基本信息单元，类似于经典计算机中的“比特”。但与传统比特只能表示0或1不同，量子比特可以同时处于0和1的叠加态，这赋予了量子计算机并行处理海量信息的潜力。然而，这种叠加态极其脆弱，极易受到环境干扰而“坍缩”或出错，这是量子计算面临的核心挑战之一。
囚禁中性原子是量子计算的一个诱人平台，它利用被激光“镊子”囚禁在真空中的中性原子（如镱、铷原子）来构建量子比特。这些原子通常具有稳定的能级结构，其内部的某两个能态可以很好地代表0和1。相比其他技术，中性原子量子比特相干时间长、易于大规模排列，但操控和读取它们需要精密的激光系统，且原子容易从势阱中丢失。
虽然中性原子相比其他类型的量子比特具有若干优势，但对于最常见的纠错方法之一，它们传统上存在显著的缺点。在这种方法中，一些纠缠的量子比特被预留为所谓的“辅助比特”，用于电路中的测量，这些测量可以诊断计算进展如何以及可能需要什么样的纠错干预。
然而，在中性原子量子计算中，这类干预通常是破坏性的。那些未处于指定状态的原子会被直接丢弃——这种挥霍的做法使得基于原子的计算机难以规模化。丢弃原子的倾向尤其棘手，因为囚禁原子的势阱本来就容易丢失原子，这既减少了可用于计算的原子数量，又引入了额外的误差。
原子的丢失——无论是逃逸还是受到破坏——都可能对需要重复测量的长时间计算构成限制。美国公司Atom Computing的研究人员设计了一种“重置”协议，以减少原子损失[1]。该方法在一个包含41轮量子比特测量的计算过程中被成功运用。
团队成员马休·诺西亚（Matthew Norcia）表示，重复使用这些量子比特可以避免对量子比特数量产生过高的开销。但在原子系统中，重置已测量量子比特的过程可能会干扰未测量的量子比特。
为克服这一挑战，研究团队开发出一种方法，能保护未测量的原子免受重置过程的影响。他们使用定向激光束，通过改变未测量原子的共振频率，使其不易被激发。随后，他们开启第二组激光来冷却已测量的原子并重新初始化它们，使其能在下一个计算步骤中与未测量的原子协同工作。
原子回收方法的示意图
该方案还能识别出空的原子囚禁位点。为补充这些空缺，研究人员构建了一条光学“传送带”，可将原子从储存区域输送到计算区域。得益于这一改进，该系统现在可以在不扰动其他原子的情况下重新装载原子。作为新方案的演示，诺西亚及其同事用囚禁的镱原子进行了计算，结果表明存储的信息在多次重置循环后仍保持完好。
图（a）原子从磁光阱（MOT）中补充到存储区，而MOT则由原子束填充。MOT最初形成于距离光捏阵列30 cm的位置，然后通过移动的光学晶格将其运送到光捏阵列处。在原子从晶格转移到加载区（LZ）光捏后，诱导光辅助碰撞（LACs），将光捏中的原子占据数映射为0或1。通过MCM（多通道测量）模块确定加载区（LZ）和存储区（SZ）的占据情况，随后将原子从加载区（LZ）移动到存储区（SZ）以填充空位。
诺西亚表示：“这些能力使得执行更复杂、更长的电路成为可能，没有它们就无法实现。”他告诉《物理世界》（Physics World）：“据我们所知，任何有用的量子计算都需要执行多层门操作，除非在整个计算过程中原子数量能够维持在稳定水平，否则这将无法实现。”
同样致力于解决可扩展、容错中性原子计算中原子损失和重复使用挑战的美国哈佛大学物理学家米哈伊尔·卢金，最近也报告了成功的原子重复使用和减少的原子损失。尽管卢金的工作与Atom Computing团队的工作在多个方面有所不同——例如使用铷原子而非镱原子，以及采用不同的方法进行低原子损失的中途测量——但他表示，诺西亚及其团队的工作“代表了镱量子计算平台的一项重要技术进步，是2025年中性原子量子计算领域的重大进展”。
[1] 该研究发表于《物理评论X》，DOI: https://doi.org/10.1103/v7ny-fg31
