量子科技領域迎來重大突破，研究人員成功實現了大規模中性原子量子系統的連續穩定運行，並對超過3000個量子位元進行了相干操控與維持，創下了前所未有的紀錄。此里程碑式的成就，有效解決了傳統原子量子處理器中原子損耗和脈衝式操作的長期瓶頸，為量子技術的發展開闢了新的道路。
中性原子作為量子科學的關鍵平台，其精確的單原子級別操控能力，使其在量子模擬、量子計算、精密測量、原子鐘以及量子網絡等領域扮演著核心角色。然而，原子在光鑷或光晶格中的囚禁，由於退相干和環境擾動，不可避免地會發生損耗，這需要頻繁的原子重新填充，進而中斷量子操作並限制了系統的運行效率。因此，轉向連續運行模式，是釋放高通量量子處理與感測潛力的關鍵目標。
該研究團隊採用了創新的實驗架構，引入了兩條光晶格「傳送帶」。這些動態晶格能夠高效地將冷原子儲存庫運送至「科學區域」，以便進行控制與測量。隨後，原子被選擇性地提取到光鑷中，作為量子位元的儲存單元，且對現有量子位元的影響極小。此系統展現了每秒將30萬個原子重新載入光鑷的能力，使得每秒初始化超過3萬個量子位元成為可能。這項高吞吐量使得研究團隊能夠在超過兩小時的時間內，組裝並持續維持一個包含超過3000個原子的量子位元陣列。
此方法的一項關鍵特色是能夠在維持已儲存量子位元量子態的同時，持續為原子量子位元陣列進行補充。研究人員成功展示了以自旋極化原子進行補充，以及注入處於相干疊加態的量子位元。這項能力對於在動態系統更新過程中保持相干性至關重要，也是實現即時量子錯誤校正的必要條件。此外，該架構利用兩條傳送帶將原子儲存庫與科學處理區域進行空間隔離，有效降低了可能擾亂相干性的熱擾動和振動雜訊，確保了持續的原子載入過程不會對運行中的量子位元造成退相干損失。
這項工作突顯了在原子量子位元層級上進行實驗控制的卓越能力。光鑷提供了極高的空間和時間控制精度，而晶格傳送帶則提供了可擴展的傳輸機制。這些元素的結合，為實現包含數百萬個量子位元的可擴展量子處理器鋪平了道路。中性原子系統的連續運行，預示著在量子技術領域的廣泛影響，包括提升原子鐘的週期率和精確度，以及在量子感測領域透過更高的數據獲取率和不間斷測量來改善信噪比。
更重要的是，這種連續、相干的運行模式，使中性原子陣列成為追求容錯量子計算的領跑者。持續的刷新和錯誤校正的可能性，為實現需要長時間相干性的複雜量子演算法提供了充滿希望的途徑。這項創新也為建立穩健的量子網絡奠定了基礎，大規模量子位元陣列的持續運行，有望支持穩定的糾纏分佈和量子中繼功能，這對於可擴展的量子互聯網基礎設施至關重要。雖然此平台標誌著一個重要的里程碑，但實際部署仍面臨挑戰，例如將規模擴展到3000個量子位元以上需要進一步的工程整合與先進的量子控制技術。然而，連續相干運行的清晰演示，徹底改變了中性原子量子設備的發展範式。
總而言之，這項研究確立了中性原子平台作為下一代量子技術可行架構的地位，能夠在規模化基礎上實現連續運行。透過結合光晶格傳輸、超高速重新載入和量子位元狀態保持，該研究為量子模擬、計算、原子鐘、感測器和量子通信系統奠定了基石，加速了邁向穩健、可擴展且容錯的量子機器的進程。在量子計算領域，中性原子技術展現出極大的潛力，例如利用里德堡態實現的長程相互作用，已將兩量子位元門的保真度推升至99.5%以上，這對於實現容錯量子計算至關重要。此外，中性原子系統的擴展性極佳，能夠在微米級的空間內容納數千個量子位元，這為構建大規模量子處理器提供了堅實基礎。研究人員正積極探索利用機器學習技術來提升量子位元測量的準確性，進一步減少錯誤率，這對於實現更複雜的量子演算法至關重要。