前幾天都在介紹量子加密資訊，稍微有點枯燥無聊，因此在鐵人賽的最後這兩天換個主題介紹。

Neutral Atom

中性原子技術同樣也是建構量子電腦的技術之一，但跟IBM等大公司所採取的Superconducting作為量子位技術不同，Neutral Atom大部分都是一些新興公司採取的技術解決方案，因為中性原子未來可發展空間蠻大的。

什麼是中性原子

原子由原子核及其電子雲組成。在 QuEra，使用銣原子。當原子的正電荷和負電荷相互平衡時，原子被稱為中性，就像自然界中發現的大多數原子一樣。透過向原子照射激光，我們可以增加原子的能量並激發它。每個原子都有廣泛的潛在激發態，每個激發態處於不同的能階。這為儲存和處理量子資訊提供了一個很好的平台。任何兩個這樣的等級的選擇都可以命名為“0”和“1”以形成一個量子位元。

並且使用雷射作為光鑷，將單個原子捕獲在適當的位置。雷射抑制原子運動，有效地將原子冷卻到幾乎絕對零度的溫度。在這些溫度下，原子的各個離散能階可以被解析和操縱，其中一些會導致超過一秒鐘的巨大相干時間。

原子是自然界中完美的量子位元。它們彼此完全相同，並且同時能夠儲存和處理量子資訊。這種一致性使它們比人造的量子位元具有優勢，而人造的量子位元可能有缺陷。

量子計算的方式

當原子被激發到高能態（稱為Rydberg states）時，它們的電子雲會膨脹到相對巨大的規模，大約是其原始大小的一千倍。在這種Rydberg states中，不同的原子可以長距離相互作用，從而使量子資訊能夠在它們之間傳輸。這使得糾纏成為可能，這是量子資訊操縱的關鍵要素之一。

Rydberg原子之間的相互作用機制被稱為「凡德瓦爾」相互作用，它源自於膨脹原子的強偶極矩。這種相互作用隨著原子間距離的六次方而減弱，這意味著原子只有在距離很近時才會劇烈相互作用。事實上，這種相互作用可以變得如此強大，以至於可以引發「Rydberg封鎖」效應，即沒有兩個相鄰的原子可以同時被激發。這種機制可以實現條件量子邏輯和二量子位元閘。

多量子位閘

Long range Rydberg原子的大小可以包含幾個附近的量子位，從而允許不同原子之間相互相互作用。與大多數只能實現 1 個量子位元和 2 個量子位元閘的量子電腦不同，里德堡封鎖機制促進了原生多量子位元閘的開發。
像 Toffoli 閘（參見下圖）這樣的閘門在眾多量子演算法中具有重要意義。透過對這些多量子位元閘進行本機編碼，可以大幅減少演算法的電路深度，從而顯著減少錯誤。一個典型的例子是 Shor 演算法的恆定深度實現。

其他優點

1. 中性原子量子電腦的原子和控制系統可以輕鬆安裝在一個房間內。這種較小的佔地面積使得中性原子電腦可以輕鬆部署在實驗室或資料中心，而不需要低溫冷卻。
2. 現場可程式量子位元陣列 (FPQA TM )：有點類似FPGA的方式，鑑於雷射可以在空間中自由移動，中性原子也可以以幾乎任何配置排列。這種靈活性允許對量子位元連接進行調整和適應，以滿足每個問題的特定要求。此外，它還可以大大縮短開發週期，因為新應用程式可以利用新配置，而無需重新組裝硬體。
3. 量子位元穿梭:透過適當選擇量子位元編碼的原子級別，原子甚至可以在計算過程中連貫地移動。這是中性原子技術的關鍵優勢。它促進了高效的記憶體總線服務，允許大規模量子位元的全面連接。這在糾錯方面尤其有利，因為它為門選擇和糾錯碼提供了新的可能性。一個例子是哈佛大學對具有週期性邊界條件的 Kitaev 範式環面程式碼的獨特實現。此外，量子位元穿梭支援記憶體和處理的分區架構，進一步提高控制線與量子位元數量的比率。總的來說，這些功能使中性原子量子電腦成為實用性和可擴展性的首選架構。
4. 混合運作模式：中性原子獨特地支援不同的計算模式：數位和模擬，每種模式都有自己的優勢。QuEra 電腦的使用者將能夠為他們想要解決的特定問題選擇最佳模式。
   1. 數字模式：基於數位閘的模式將複雜的操作分解為幾個基本步驟（閘），一次對一個或兩個量子位元進行操作。閘在兩個計算狀態之間移動量子位元。閘序列將整個系統的計算狀態從一種狀態改為另一種狀態。測量時，最終狀態變成一個位元串，捕捉計算的結果。
      基於門的操作模式提供了一種優雅的方法，只需一組基本操作即可實現通用功能和可編程性。
   2. 模擬量子模式：在物理層面，數位量子操作是由哈密頓量表示的連續狀態轉換：描述使物理系統隨時間變化的力的函數。如果能夠足夠好地控制哈密頓量，則可以繞過基於門的模式，而採用模擬計算模式。類比模式不像基於閘的模式那麼通用，但如果可能的話，它可以直接引導我們找到答案，而無需將演算法分解為基本步驟，從而避免了數位計算模式中常見的許多雜訊和相干性問題。

目前，QuEra 能夠處理約 256 個量子位，並作為 Amazon Web Services 量子運算服務的一部分提供。根據亞馬遜部落格文章，這些基於中性原子的處理器適合「以圖形模式排列原子，並解決某些組合最佳化問題」。

參考資料:

1. Quera
2. How neutral atoms could help power next-gen quantum computers
3. Neutral-Atom Quantum Computing