在一项量子技术领域的重大进展中，研究人员成功实现了大型中性原子量子系统的连续运行，在创纪录的时长内相干地操控并维持了超过3000个量子比特。这一里程碑式的成就克服了原子量子处理器在可扩展性方面长期面临的原子损耗和脉冲式操作的挑战。
中性原子作为一种通用量子科学平台，能够实现单原子级别的精确控制，这对于量子模拟、量子计算、精密测量、原子钟以及量子网络至关重要。然而，这类系统固有的脉冲式操作曾是发展的瓶颈。捕获在光学镊子或晶格中的原子会因退相干和环境扰动而不可避免地丢失，这需要频繁地重新加载，从而中断量子操作并限制了循环速率。因此，转向连续运行模式是实现高吞吐量量子处理和传感的关键目标。
该研究团队采用了一种创新的实验架构，配备了两个光学晶格“传送带”。这些动态晶格能够高效地将冷原子库移动到“科学区域”进行控制和测量。随后，原子被选择性地提取到光学镊子中，作为量子比特的存储库，同时最大限度地减少对现有量子比特的干扰。该系统展示了每秒向光学镊子重新加载300000个原子的能力，从而实现了每秒初始化超过30000个量子比特。这种高通量使得在两个多小时内组装并持续维持一个包含超过3000个原子的量子比特阵列成为可能。
该方法的一个关键特性是，在保持已存储量子比特的量子态的同时，能够持续地为原子量子比特阵列进行补充。研究人员演示了使用自旋极化原子进行补充，以及注入处于相干叠加态的量子比特。这种能力对于在动态系统更新过程中保持相干性至关重要，这对于实时量子纠错是必不可少的。该架构利用两个传送带将原子库与科学处理区域在空间上分离，从而减轻了可能破坏相干性的热噪声和振动噪声。这种空间调制确保了持续的原子加载过程不会对运行中的量子比特造成退相干损失。
这项工作突显了在单粒子层面对原子量子比特进行出色实验控制的能力。光学镊子提供了精密的空间和时间控制，而晶格传送带则提供了可扩展的传输机制。这些元素的协同作用为实现包含数百万个量子比特的可扩展量子处理器铺平了道路。连续运行的中性原子系统的意义对整个量子技术领域都产生了深远影响。原子钟的循环速率和精度有望得到提升。在量子传感领域，更高的数据采集速率和不间断的测量可以改善信噪比。此外，连续相干运行使中性原子阵列成为实现容错量子计算的领跑者。持续的刷新和纠错能力为深度电路量子演化提供了一条充满希望的途径，这对于需要长相干时间的复杂量子算法至关重要。
这项创新也加强了对稳健量子网络的基础。大规模量子比特阵列的持续运行有可能支持稳定的纠缠分发和量子中继功能，这对于可扩展的量子互联网基础设施至关重要。尽管这一平台标志着一个重要的里程碑，但实际部署仍面临挑战。将规模扩展到3000个量子比特以上需要进一步的工程设计和与先进量子控制技术的集成。然而，连续相干运行的清晰演示彻底改变了中性原子量子器件的开发范式。
总而言之，这项工作确立了中性原子平台作为下一代量子技术可行架构的地位，这些技术能够以连续、大规模的方式运行。通过结合光学晶格传输、超快速重新加载和量子比特状态保持，该研究为量子模拟、计算、原子钟、传感器和量子通信系统奠定了基石，加速了迈向稳健、可扩展且容错的量子机器的进程。