45微秒，中性原子量子计算迎来高速读控新时代！

谈到量子计算硬件，大家也许更加熟悉的是“量子门保真度”“量子比特数”“纠错码距离”等指标。但要做成一个可扩展、可纠错的量子处理器，还需要一个被大家经常忽略的量子硬件能力：在量子线路运行到一半时，快速测量一部分量子比特，并立刻根据测量结果调整后续操作。

这就是中途电路测量和前馈控制。

长期以来，将中性原子进行中途电路测量、然后反馈给控制系统的操作会耗费数百微秒甚至数毫秒，这与仅需纳秒级的量子逻辑门操作相比，慢了三个数量级。

特别是在量子纠错的过程中，如果不以极快的速度探测误差和纠错，系统在纠错完成之前就已经发生了新的退相干，结果就是纠错失败。

最近，加州大学伯克利分校Dan M. Stamper-Kurn团队运用高精细度光学腔与原位光频移屏蔽技术的组合，把中性原子阵列测量-前馈环节的时间缩短到100微秒以下，压缩的最好限值是45微秒，比此前常用的毫秒级方案提升了一个数量级以上。

为什么中途电路测量很重要

量子系统的演进并不是一条绝对可被预知的路径。即使没有技术噪声，量子测量本身也有一定的概率性。而真实的硬件中，量子门误差、退相干、光噪声、原子运动等又都会不断把系统推离目标状态。

如果只能在量子线路结束后统一测量，就很难在演化过程中纠偏。中间电路测量的意义是，一边运行量子线路，一边提取部分信息出来，然后利用这些信息对系统进行实时修正。

这正是量子纠错的思路。比如，表面码需要不断地测量稳定子来检测是否出错了，再根据综合征做纠错。自适应量子线路也依赖这样的逻辑：前一步测量结果决定下一步选择哪一个测量基或哪一个量子门。

在超导量子计算和离子阱系统中，中途测量和反馈早已不是新鲜事。但是在中性原子阵列中，这件事长期被速度所限制。

原因有两个。首先传统方案要把要测量的原子移动到一个专门的测量区域内，不让读出光的测量影响其他的数据量子比特，搬运过程耗时较长。其次中性原子的荧光通常都是向自由空间发射，收集效率低，为了能够产生足够的读出光子，测量时间通常需要毫秒量级。

但中性原子相干量子门的时间尺度是微秒量级甚至是纳秒量级，也就是说，以前的测量反馈速度比量子门慢了三个数量级左右。这就不太可能满足实时纠错和动态量子线路的要求。

光学腔方案

研究团队设计的实验方案，其核心在于“腔增强探测”与“位点选择性屏蔽”的协同作用。

研究人员使用了一个包含5个铷-87原子的一维光镊阵列，它们被囚禁在光镊阵列内，处在高精细度的法布里-珀罗光学腔轴线上。利用珀塞尔效应（Purcell Effect），可以极大地增强被测量子比特向腔模内发射光子的几率，提高探测收集效率。

但这还不足够，如果直接开启全局的探测光，腔内的强电磁场仍是扰乱那些不期望被测量的数据量子比特的主要原因。

为此，研究人员采用了第二项关键技术“位点选择性光学屏蔽”，利用1529纳米的屏蔽光照射不期望被测量的数据量子比特，用交流斯塔克（AC Stark）位移把这些原子的激发态能级做移位。

这样一来，数据量子比特的光学跃迁频率就被调离探测光和腔的共振条件，相当于给未测量的量子比特加上“光学保护罩”。

与此同时，780纳米探测光只聚焦到被选中的测量量子比特上。如果这个原子处于亮态，则会向腔中散射光子；而处于暗态则基本不发光。探测器只要计数到足够多的腔发射光子，就能知道这个量子比特的逻辑值。

图：实验装置示意图

速度、保真、相干保护三重突破

基于上述方案，研究团队给出了一系列实验结果。

首先是高保真度微秒级原位读出。研究人员把4个原子一个个地测试一遍，每个探测窗口设定为40微秒。

使用基于FPGA的自适应门控后，单个原子亮态测量非保真度控制在0.9%以下，暗态非保真度不超过0.2%，测量识别准确率达到了99%以上，而且还把平均亮态探测时间降低到了9.5微秒。另外，将原子因反冲力而逃离光镊的概率从95%大幅降低至8%。

其次是近乎无损的数据量子比特相干保护。研究人员实现了一个拉姆齐（Ramsey）干涉实验。5个原子被制备到同一初态，然后做全局微波旋转。随后，对其中4个量子比特分别做中途电路测量，而对第5个量子比特施加光学屏蔽，最后再利用拉姆齐序列读出第5个数据量子比特的相干性。

结果是第5个未测量数据量子比特的拉姆齐比度几乎没有下降，态保持保真度达到了100(2)%。这表明。测量过程对邻近量子比特的扰动被压制到极限了。

图：电路中测量对数据量子比特相干性的保护验证

最后也是最重要的一环，是实时前馈控制的演示。研究人员展示了两个典型应用：

其一，实时修正测量诱导的相位偏移。弱屏蔽环境下，数据量子比特会在腔荧光光子积累过程中产生相位漂移，平均每微秒0.02弧度左右。通过FPGA实时跟踪探测时间并反馈调整后续微波脉冲相位，控制相位漂移斜率减至每微秒0.002弧度，态保持保真度从96％提高到99％。

其二，自适应量子态判别与条件态制备。实验中，3个原子被制备成到三个非正交态之一，从前两个原子的测量结果自适应选择后续测量轴，态判别成功率从69％-73％提高到81％，条件态制备成功率从72％-78％提高到85％。

在整个流程中，从测量完成到发出下一条指令，最快只需要5微秒，再加20微秒的位点切换时间，完整的测量-前馈循环时间稳定控制在45微秒左右。

图：自适应测量与前馈控制演示

结论与展望

这项工作将中性原子阵列的测量-反馈循。环时间由毫秒级缩小到微秒级，确立了光学腔作为加速中性原子量子系统控制的有效路径

而这种测量和前馈能力，将直接赋能多个前沿领域。

量子纠错方面，快速的中途读取意味着可以更快速地探测和纠正错误，对实现容错量子计算非常重要。多体量子物理模拟方面，研究人员现在可以在系统演化的过程插入测量和控制来研究测量诱导的相变等一些新的物理现象。

此外，结合里德堡门技术，这一平台有望实现通过腔基测量来实时监测并稳定大规模里德堡量子处理器。

当然，技术的改进永远不会止步。研究团队指出，未来通过进一步提升腔的协同性、提高探测器量子效率以及采用全光学门操作，循环时间还有望进一步缩短。

总而言之，这项工作标志着中性原子量子计算正式迈入“高速读控”时代。 

https://arxiv.org/abs/2606.24869