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| 規(guī)模原子量子計(jì)算系統(tǒng)，復(fù)旦青年科學(xué)家聯(lián)合研制！ |
| http://www.f7wzy.cn 2025年8月30日 來(lái)源：復(fù)旦大學(xué) |
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1000原子量子計(jì)算系統(tǒng)！這是復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系中性原子量子計(jì)算團(tuán)隊(duì)取得的最新突破。從搭建真空系統(tǒng)到實(shí)現(xiàn)百量子比特，他們僅用半年時(shí)間，如今，再次以驚人速度實(shí)現(xiàn)跨越。
這是一支平均年齡約30歲的多學(xué)科交叉青年團(tuán)隊(duì)，懷揣“打造通用容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)”的共同理想，過(guò)去一年創(chuàng)造了多PI自由組合的有組織科研新范式，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，不斷跑出復(fù)旦量子計(jì)算“加速度”——
團(tuán)隊(duì)成功研制出中性原子量子計(jì)算系統(tǒng)，制定高效并行量子計(jì)算指令集；開發(fā)AI+量子調(diào)控方案，實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模原子系統(tǒng)的自動(dòng)校準(zhǔn)、優(yōu)化，為量子計(jì)算增效提速；自研物鏡的性能也已支撐萬(wàn)比特級(jí)中性原子量子計(jì)算；近期在量子優(yōu)化算法上又取得新突破，大幅提升NP問(wèn)題的量子計(jì)算效率……
突破NP問(wèn)題：
量子計(jì)算的“關(guān)鍵一躍”
量子計(jì)算為何是“計(jì)算革命”的代名詞？根本原因在于它的并行能力。與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)以二進(jìn)制比特為基本運(yùn)算單位不同，量子計(jì)算機(jī)的量子比特通過(guò)“疊加態(tài)”，能夠同時(shí)表達(dá)多種狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)指數(shù)級(jí)算力提升，為經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)法解決的復(fù)雜問(wèn)題提供新方案。
P=NP？這是《科學(xué)》雜志公布的125個(gè)最重要的科學(xué)問(wèn)題之一，如今被量子計(jì)算撕開一道裂口。開發(fā)高效的NP問(wèn)題量子求解器，關(guān)系到人工智能訓(xùn)練、組合優(yōu)化、交通管理、密鑰安全等領(lǐng)域，也影響著現(xiàn)代密碼學(xué)的安全評(píng)估。經(jīng)典計(jì)算機(jī)需要億萬(wàn)次運(yùn)算的NP問(wèn)題，在量子計(jì)算機(jī)上可壓縮至十萬(wàn)次以內(nèi)。這“降維打擊”的關(guān)鍵在于“量子黑盒（Oracle）”的構(gòu)建。
過(guò)去五年，復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系李曉鵬團(tuán)隊(duì)一直在推進(jìn)中性原子NP問(wèn)題量子求解器的開發(fā)。自2020年起，團(tuán)隊(duì)提出創(chuàng)新的量子編碼方案，他們從量子場(chǎng)論中得到啟發(fā)，發(fā)明了量子線連接方案，給出了利用原子求解一般NP計(jì)算問(wèn)題的方案（PRX Quantum 1, 020311, 2020）。2023年，通過(guò)原子-光腔耦合技術(shù)，再將編碼復(fù)雜度降至理論極限，原子求解多個(gè)大規(guī)模NP計(jì)算問(wèn)題首次具備實(shí)驗(yàn)可行性（PRL 131, 103601, 2023）。
近期，團(tuán)隊(duì)又取得了全新突破——實(shí)現(xiàn)了原子的超低丟失率（1%以下）的并行移動(dòng)，并基于此制定了量子計(jì)算并行指令集。利用這種并行指令集，他們成功構(gòu)建了高度精簡(jiǎn)的量子黑盒，其線路深度從超導(dǎo)量子比特上的降低至，實(shí)現(xiàn)指數(shù)級(jí)效率提升（arXiv: 2507.22686 （2025））。
研究說(shuō)明中性原子系統(tǒng)在展現(xiàn)NP問(wèn)題量子加速方面優(yōu)勢(shì)明顯。更重要的是，這一創(chuàng)新使得暴力破解密鑰安全性的復(fù)雜度從經(jīng)典計(jì)算機(jī)上的O（2n）降至O（poly log n 2n/2）—128位安全密鑰的強(qiáng)度一舉降至64位水平，顯示出中性原子體系在NP問(wèn)題求解中的巨大潛力。
從“概念”到“實(shí)機(jī)”，
青年交叉團(tuán)隊(duì)共筑量子夢(mèng)想
在全年恒溫的超凈間里，實(shí)驗(yàn)臺(tái)被簾幕環(huán)繞，光學(xué)鏡片按照精確光路排列，數(shù)千道微光閃爍的“光鑷”捕捉著每一顆原子的跳動(dòng)。科研人員屏息凝視黑暗中的屏幕，將原子矩陣的每一次運(yùn)動(dòng)都控制得分毫不差——這，就是復(fù)旦量子計(jì)算機(jī)研發(fā)的一線。
自然粒子可根據(jù)自旋性質(zhì)分為兩類：具有半整數(shù)自旋的費(fèi)米子與具有整數(shù)自旋的玻色子。復(fù)旦首個(gè)超冷原子實(shí)驗(yàn)基地由玻色子與費(fèi)米子實(shí)驗(yàn)室共同組成，其中多種多樣的可調(diào)控自由度為中性原子量子信息處理提供了豐富的試驗(yàn)平臺(tái)。
早在2016年，李曉鵬團(tuán)隊(duì)便前瞻布局量子人工智能研究方向，與合作者共同建立了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)連接度和量子糾纏之間的深刻聯(lián)系，建立了人工智能模型和量子模型的嚴(yán)格對(duì)應(yīng)，將人工智能方法應(yīng)用于量子算法優(yōu)化，相關(guān)成果近年來(lái)一直都是高被引論文。
理論要領(lǐng)先，更要實(shí)驗(yàn)落地。2022年，李曉鵬決定更進(jìn)一步，搭建量子計(jì)算的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)——也就是要把量子計(jì)算機(jī)真正做出來(lái)。他們前期積累的人工智能方法成功應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)中，實(shí)現(xiàn)原子陣列的高效裝載和重排，單原子丟失率控制在1%以下，實(shí)現(xiàn)了20nK溫度以下的超低溫冷原子樣品制備。
如今，走進(jìn)復(fù)旦江灣校區(qū)物理樓，你常常會(huì)見到這樣一支特別的學(xué)科交叉團(tuán)隊(duì)，正在集中研討量子計(jì)算機(jī)的研制進(jìn)度：40余名大多為“90后”的研究者，來(lái)自物理、數(shù)學(xué)、信息科學(xué)等學(xué)科，在“85后”李曉鵬帶領(lǐng)下踐行“多PI自由組合”科研范式。
他們的凝聚力不來(lái)自外部，而是源于同一個(gè)科學(xué)目標(biāo)——讓量子計(jì)算實(shí)現(xiàn)從“概念”到“實(shí)機(jī)”的跨越。團(tuán)隊(duì)成員包括馮磊、李穎洲、吳宜家、石磊教授等，共同攻關(guān)量子計(jì)算理論、實(shí)驗(yàn)、應(yīng)用落地中的前沿難題。
“量子計(jì)算需要理論和實(shí)驗(yàn)緊密耦合。得益于我們?cè)诶碚摲矫娴亩嗄攴e累，還有復(fù)旦物理學(xué)系在光學(xué)領(lǐng)域的深厚技術(shù)積淀，實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)過(guò)程比較順利。”李曉鵬坦言，這段自主組織團(tuán)隊(duì)、建設(shè)實(shí)驗(yàn)室的經(jīng)歷充滿挑戰(zhàn)，團(tuán)隊(duì)成長(zhǎng)很快。
數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院教授李穎洲在團(tuán)隊(duì)中主要承擔(dān)從中性原子指令到量子算法之間橋梁的構(gòu)建工作。在他看來(lái)，團(tuán)隊(duì)合作的關(guān)鍵不僅僅在于共同的科研興趣，更在于科學(xué)合理的任務(wù)劃分與有效銜接。
“雖然實(shí)現(xiàn)目標(biāo)時(shí)，每個(gè)任務(wù)存在先后順序，但絕不能等前一個(gè)環(huán)節(jié)完全結(jié)束才啟動(dòng)下一個(gè)。合理拆解任務(wù)、精準(zhǔn)定義各環(huán)節(jié)的輸入與輸出，是高效協(xié)作的基石。只有這樣，大家才能并肩推進(jìn)，各自發(fā)揮所長(zhǎng)，最終將所有成果精準(zhǔn)拼合，形成完整突破。”李穎洲解釋道。
引領(lǐng)下一代科技浪潮，
書寫量子科技“復(fù)旦答卷”
量子科技，已成為衡量國(guó)家科技創(chuàng)新實(shí)力的重要標(biāo)志。眼下，全球范圍內(nèi)，量子計(jì)算正經(jīng)歷基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的“雙線并進(jìn)”。美國(guó)通過(guò)出臺(tái)專項(xiàng)戰(zhàn)略規(guī)劃、加大研發(fā)投入等方式，持續(xù)鞏固其領(lǐng)先地位。
不久前，上海也將量子科技納入全市未來(lái)產(chǎn)業(yè)發(fā)展布局。復(fù)旦中性原子量子計(jì)算團(tuán)隊(duì)就是重點(diǎn)支持的一支量子計(jì)算研發(fā)力量，受到了上海市科委戰(zhàn)略前沿專項(xiàng)資助。
量子計(jì)算為何備受期待？據(jù)預(yù)測(cè)，2035年全球量子計(jì)算市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到200億美元以上，涵蓋金融、醫(yī)藥、氣象、能源等眾多領(lǐng)域。在金融業(yè)，量子計(jì)算能對(duì)復(fù)雜序列預(yù)測(cè)進(jìn)行更有效的建模分析，在未來(lái)助力風(fēng)險(xiǎn)控制與投資決策；在醫(yī)藥研發(fā)、新材料發(fā)現(xiàn)中，數(shù)百邏輯量子比特的量子計(jì)算機(jī)能夠比經(jīng)典計(jì)算機(jī)更有效地模擬分子與蛋白質(zhì)的相互作用，大大縮短新藥開發(fā)周期……正因此，李曉鵬團(tuán)隊(duì)的合作者不僅有學(xué)術(shù)團(tuán)隊(duì)，還有金融機(jī)構(gòu)、氣象局等，加速技術(shù)“從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)業(yè)界”的落地轉(zhuǎn)化。同時(shí)，李曉鵬強(qiáng)調(diào)：“量子計(jì)算賦能各垂直領(lǐng)域，仍然需要量子硬件、算法性能的進(jìn)一步提升。容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)的研制成功才能為應(yīng)用落地打開更廣闊的局面。”
“人工智能現(xiàn)階段主要依賴傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，量子計(jì)算機(jī)有望進(jìn)一步加速其發(fā)展，從本質(zhì)上提升AI性能，比如讓準(zhǔn)確率更高、泛化和表達(dá)能力更強(qiáng)，尤其是在某些特定場(chǎng)景中。例如處理加密數(shù)據(jù)時(shí)，量子AI已被證明明顯優(yōu)于經(jīng)典AI。”李曉鵬深有感觸，隨著模型越做越大，AI遭遇的瓶頸很多是物理問(wèn)題，量子人工智能的未來(lái)，更需物理學(xué)家和計(jì)算機(jī)科學(xué)家攜手并進(jìn)。
“當(dāng)今物理學(xué)研究已步入新紀(jì)元，量子計(jì)算機(jī)正引領(lǐng)科技革命的浪潮。”李曉鵬說(shuō)，“身為復(fù)旦的青年科學(xué)家，我們沒(méi)有理由置身事外，更應(yīng)以引領(lǐng)行業(yè)為己任，為國(guó)家科技自立、為人類未來(lái)發(fā)展貢獻(xiàn)力量。”
他堅(jiān)信，未來(lái)5至10年，量子技術(shù)將迎來(lái)關(guān)鍵技術(shù)突破，而原子量子計(jì)算極有可能是正確的路線。復(fù)旦團(tuán)隊(duì)正加速探索“軟硬協(xié)同”，向具有廣泛實(shí)用價(jià)值的量子計(jì)算機(jī)發(fā)起沖刺，書寫屬于中國(guó)的量子時(shí)代“復(fù)旦答卷”。
本項(xiàng)目得到上海市科委、上海期智研究院、合肥國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、應(yīng)用表面物理全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室以及科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委支持。
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