近日，美國威斯康星大學麥迪遜分校宣布與兩家量子公司合作，首次在中性原子（核外電子等于核內質子數的原子）量子計算機上運行量子算法，將推動量子計算的實際應用。該團隊是世界上第一個在可編程門模型(Gate model)冷中性原子量子計算機上，演示量子算法的團隊。其中包括美國冷原子量子技術公司ColdQuanta和英國量子計算軟件開發商Riverlane。
實用量子計算機可以解決傳統計算機無法解決的特定復雜問題，將有助實現多種應用，例如物流、藥物發現和量子過程的計算建模。其中，門模型量子計算機如果能以長相干時間和高保真邏輯實現大規模運行，將有望解決這些問題。
冷原子超精細量子位由于其相同的特性、較長的相干時間，以及可以被困于密集多維陣列中的能力，因此具有可延展性，有利于實現門模型量子計算機的規模化。
此次，由威斯康星大學麥迪遜分校物理學教授Mark Saffman領導的研究小組，將6個具有長壽命的中性原子糾纏在一起，實現了多達6個量子位的Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ)糾纏態的制備。GHZ態是由三位物理學家Daniel Greenberger、Michael Horne、Anton Zeilinger于1989年提出的一種多量子糾纏態，是現今運用在多方量子保密通信中的一種常用糾纏態。相關成果近日發表在《自然》(Nature)。Mark Saffman還擔任威斯康星量子研究所(Wisconsin quantum Institute)主任、ColdQuanta公司的量子信息首席科學家。他表示，在目前研發實用量子計算機的競賽中，有幾種不同的方法正在開發中。“冷原子量子位是正在積極開發的五種方法之一，這篇文章首次展示了使用冷原子量子位運行量子電路和量子算法的能力。”
前述團隊證明了在冷原子量子計算機上運行量子算法是可行的。而以往的中性原子量子計算機使用的都是壽命較短的原子。“我們的方法好處之一是原子具有壽命較長的狀態。”論文主要作者Trent Graham表示，“在這些狀態下，其相干性可以保持幾毫秒，而在先前演示的狀態中，其衰減的速度要快三百至四百倍。”他們在冷原子量子計算機上成功運行了兩種量子算法。第一種是量子相位估計(QPE)算法，一種在化學領域中用于測量原子的分子能量的常見算法。另一種則是MaxCut（最大割問題），在物流部署和模式識別方面具有應用。這些成果突出了冷原子量子位陣列的高度可擴展性，可用于通用、可編程的量子計算，以及量子增強傳感的非經典狀態的制備。
合作是前述團隊成功的關鍵。威斯康星大學麥迪遜分校團隊構想并完成了大部分工作，ColdQuanta公司工程師與威斯康星大學團隊合作設計和研發了量子計算機的關鍵子系統，Riverlane公司工作人員則為電路設計、優化和模擬做出了貢獻。
