量子電腦需要大量的量子位元（qubits）來解決科學和技術上最艱難的問題。與傳統位元不同，量子位元可以同時存在於兩種狀態，這種特性稱為「疊加」。這使得量子計算擁有強大的能力，但也使得量子位元變得脆弱。為了控制錯誤，未來的量子電腦將需要數十萬個量子位元。加州理工學院的物理學家們最近在這方面取得了重大進展。他們創造了有史以來最大的量子位元陣列，擁有 6,100 個中性原子量子位元，這些量子位元被激光固定在一起。此前，類似的陣列最多只能容納數百個量子位元。
這個加州理工學院的團隊利用光學鑷子，即集中激光束，來捕捉真空腔中的銫原子。他們將一束激光分裂成 12,000 個鑷子，並將 6,100 個原子排列成網格。這 6,100 個被光學鑷子捕捉的銫原子形成了一個直徑約一毫米的圓形。研究生 Hannah Manetsch 表示：「在螢幕上，我們可以實際看到每個量子位元作為一個光點，這是大規模量子硬體的一個引人注目的影像。」一個關鍵的進展是，在增加規模的同時保持質量。這些量子位元的疊加狀態持續了約 13 秒，幾乎是之前類似系統的十倍長。團隊還以 99.98% 的準確率操控了單個量子位元。
研究人員展示了他們可以在陣列中將原子移動數百微米，同時保持其疊加狀態。中性原子量子位元相比於超導電路等硬連接系統有這方面的優勢。更自由地移動量子位元將有助於未來的機器有效地糾正錯誤。Manetsch 描述了這個挑戰：「在移動的同時保持一個原子，就像試圖不讓一杯水翻倒一樣。而同時保持原子的疊加狀態，就像要小心不讓水濺出來。」下一個前沿是大規模的錯誤修正，這需要數千個物理量子位元。研究生 Elie Bataille 說：「量子電腦必須以容忍錯誤的方式編碼信息，才能進行有價值的計算。」他補充說，與傳統計算機不同，量子位元不能簡單地被複製，錯誤修正必須依賴更微妙的方法。
該團隊現在的目標是使量子位元相互糾纏。糾纏是指粒子之間的聯繫，使它們作為一個系統行動。這是實現全規模量子計算的關鍵，對於模擬自然現象，例如從奇異物質相到塑造時空的量子場等，都具有重要意義。該項目的首席研究員教授 Manuel Endres 表示：「這對於中性原子量子計算來說是一個激動人心的時刻。我們現在可以看到通往大型錯誤修正量子電腦的道路，基礎已經搭建完成。」正如 Manetsch 所說，這一承諾超越了建造機器的範疇。「我們正在創造能幫助我們以量子力學唯一能教會我們的方式了解宇宙的機器，這是非常令人興奮的。」該研究已發表於《自然》期刊中。
