Defektfreie Neuanordnung von 4000 Qubits: Ein inländischer Überraschungssieger bricht sich im Wettbewerbsfeld der neutralen Atome die Bahn.

Kürzlich hat Nakai Qiyuan (Beijing) Quantum Technology Co., Ltd. (im Folgenden als „Nakai Quantum“ bezeichnet), ein Unternehmen für Neutralatom-Quantencomputing, den vollständigen Aufbau des universellen Quantencomputers „Qiyuan No.1“ abgeschlossen und die technischen Durchbrüche bei der defektfreien Array mit 4000 Qubits und der kontinuierlichen Beladung erreicht. Dies ist eine der frühen Praktiken in der inländischen Neutralatom-Route, bei der diese beiden Indikatoren auf demselben vollständigen Gerät realisiert werden.

Abbildung: Demonstration des groß angelegten defektfreien Arrays von Qiyuan No.1 4096 (64✖️64)

Wenn man das Labor von Nakai Quantum betritt, sieht man, dass „Qiyuan No.1“ auf zwei optischen Plattformen aufgeteilt ist. Die Hauptplattform hat drei Schichten: In der mittleren Schicht befinden sich das Vakuumkammer- und Magnetsystem, in dem Atome eingefangen und gesteuert werden; die oberen und unteren Schichten sind mit optischen Wegen ausgestattet. Die zweite Plattform dient ebenfalls dem optischen Weg, um Laser zur Vakuumkammer zu leiten. Neben der Plattform sind Schaltkreise und Messsteuerungssysteme angeschlossen, die für die zeitliche Steuerung des gesamten Geräts verantwortlich sind.

Techniker erklärten, dass das gesamte Gerät allein 853 optische Komponenten umfasst, darunter Reflektorhalter, Wellenplatten, AOM, PBS-Halter, Lichtabschirmgeräte usw. Das System verwendet ein bewegbares optisches Gitter-Transportband, um das kalte Atomreservoir mit der Bit-Steuerungszone zu verbinden. Nachdem Atome in der Gittertransportzone durch optische Pinzetten eingefangen wurden, müssen sie mehrere Übergaben zwischen dynamischen und statischen optischen Pinzetten sowie zwischen Vorbereitungs- und Speicherzonen durchlaufen, um die Beladung und Umordnung abzuschließen.

„Das Verschieben von Atomen an sich ist nicht schwierig, schwierig ist die Reihenfolge“, erklärte der technische Leiter. Die zeitliche Steuerung ist die größte Herausforderung der kontinuierlichen Beladung – hinter 853 optischen Komponenten steht ein zeitliches Ordnungssystem, das in Nanosekunden gemessen wird.

I. Warum 4000 Qubits

Beim Neutralatom-Quantencomputing werden einzelne Atome normalerweise durch optische Pinzetten eingefangen und gesteuert, die von einem hoch fokussierten Laser gebildet werden. Die anfängliche Beladung ist jedoch zufällig, und die resultierenden Arrays weisen oft Leerstellen auf, sodass Atome verschoben werden müssen, um die Zielpositionen aufzufüllen – dieser Prozess wird als Umordnung bezeichnet. „Defektfrei“ bezieht sich auf die Belegung des Zielarrays und bedeutet nicht, dass bei Quantenoperationen keine Fehler auftreten.

So ist die Antwort des Teams auf die Frage, warum 4000 Qubits gewählt wurden, sehr direkt: Dies wird sowohl von den Zielen als auch von den technischen Bedingungen gemeinsam bestimmt.

Wenn die Größe auf Tausende von Atomen erweitert wird, steigt die Anzahl der optischen Pinzetten und die erforderliche Laserleistung entsprechend. Bei einer Array-Größe von 60✖️60=3600 beträgt die Gesamtleistung bei 3 Milliwatt pro optischer Pinzette bereits fast 15 Watt. Unter Berücksichtigung der Beugungseffizienz und der Durchgangsverluste der optischen Komponenten nähert sich die Gesamtleistung bereits der verfügbaren Ausgangsgrenze der vorhandenen optischen Wege. Das bedeutet, dass die Lichtleistungsbudgetierung das erste Problem ist, dem man sich stellen muss, wenn die Anzahl der Atome weiter erhöht wird.

Eine weitere Einschränkung ist das Gleichgewicht zwischen Größe und Kohärenz. Das von Nakai Quantum verwendete Schema erfordert, dass die Ergebnisse mehrerer Beladungsrunden in dasselbe Array zusammengeführt werden: Eine Größe von 3000 Qubits erfordert etwa 6 Beladungsrunden, und in jeder Runde muss ein defektfreies Array von etwa 500 Qubits gebildet werden. Die Erweiterung der Kapazität kann die Anzahl der pro Runde geladenen Atome erhöhen oder die Anzahl der Beladungsrunden steigern, aber beide Optionen haben Nachteile: Ersteres erfordert, dass die optischen Pinzetten in einem größeren Bereich gleichmäßig bleiben und genau verschoben werden können; Letzteres bedeutet, dass die zuerst geladenen Atome länger warten müssen, was höhere Anforderungen an die Speicherung und die Kohärenzerhaltung stellt.

Darüber hinaus gibt es das Problem des Sichtfelds des akustooptischen Ablenkers (AOD). Die Größe des AOD-Fensters bestimmt direkt die Anzahl der Qubits, die untergebracht werden können. Je größer das AOD-Fenster ist, desto größer ist der Array-Bereich, der letztendlich abgedeckt werden kann. Sowohl die Vorbereitungszone als auch die Speicherzone benötigen Platz, und für die Bewegung von Atomen müssen Kanäle freigehalten werden. Nachdem der Atomabstand und die Bedingungen des optischen Weges festgelegt sind, gibt es eine praktische Grenze für die Größe des Arrays, das untergebracht werden kann.

Daher hat das Team unter Berücksichtigung der oben genannten praktischen Bedingungen sowie des Leistungsbedarfs für Raman-Licht und Rydberg-Licht in der Folge zuerst 3000 Qubits als das derzeit angemessene technische Ziel angesehen und am Ende 4000 Qubits übertroffen.

II. Der Kern ist die kontinuierliche Beladung

Die Herausforderung für Neutralatom-Systeme ist der Verlust von Atomen. Herkömmliche Neutralatom-Systeme müssen nach jeder Berechnung Atome neu abkühlen und laden, sodass die Betriebszeit des Systems oft nur einige hundert Millisekunden beträgt. Die kontinuierliche Beladung liefert während des Betriebs des Systems ständig neue Atome und reduziert die Störung des Ergänzungsprozesses auf die vorhandenen Qubits so weit wie möglich, um die kontinuierliche Betriebszeit zu verlängern.

Video: Demonstrationsvideo zur kontinuierlichen Beladung und Umordnung von Qiyuan No.1

International wurde diese Technik erst vor kurzem validiert. Im Jahr 2025 hat das Lukin-Team der Harvard-Universität erstmals durch die Aufteilung von optischem Gitter-Transportband, Vorbereitungszone und Speicherzone ein Array mit mehr als 3000 Atomen über 2 Stunden lang aufrechterhalten und nachgewiesen, dass die Kohärenz der Qubits in der Speicherzone erhalten bleibt, wenn Atome ergänzt werden. Im Inland hat bisher kein Team öffentlich einen Durchbruch bei der kontinuierlichen Beladung erzielt.

Im Vergleich zum Lukin-Team hat „Qiyuan No.1“ Innovationen in der Architekturgestaltung vorgenommen: Ausländische Teams verwenden hauptsächlich doppelte Gitter, während Nakai Quantum mit einem einzelnen Gitter die kontinuierliche Beladung realisieren kann, was eine einfachere Architektur ermöglicht und gleichzeitig Zwei-Qubits-Gatter realisiert.

Die kontinuierliche Beladung hat noch ein weiteres potenzielles Szenario in der Zukunft: Wenn in Zukunft eine Heterogenität zwischen Neutralatom und anderen Routen wie Supraleitung und Ionenfalle entsteht, kann das gesamte Gerät „Qiyuan No.1“ als Quantenspeicher dienen, um die Rechenergebnisse anderer Routen zu übernehmen und langfristig zu speichern.

„Je mehr Menschen sich mit Quantencomputing befassen, desto schneller kann das Ökosystem aufgebaut werden. Eine gesunde Wettbewerbsatmosphäre zu schaffen, ist etwas, das wir sehr gerne sehen“, sagte FAN Yaoyuan, Gründer und CEO von Nakai Quantum.

III. Doppelte Antriebskraft durch universelle und spezielle Anwendungen

Nakai Quantum konzentriert nicht die gesamte Forschung und Entwicklung auf das universelle Quantencomputing, sondern verfolgt eine Strategie mit doppelter Antriebskraft aus Quanten-Simulationscomputing und universellem Quantencomputing.

Die „Qiyuan“-Serie für universelles Quantencomputing löst mathematische und algorithmische Probleme wie Kryptographieknacken und Finanzportfolioptimierung. Diese Fähigkeit wird als langfristige strategische Reserve betrachtet.

Die „Nakai“-Serie für Quanten-Simulationscomputing, also spezielle Quantencomputer, löst Szenarien, die im Wesentlichen Quantensysteme sind, wie Materialentwicklung und biopharmazeutische Forschung, indem kontrollierbare Quantensysteme hergestellt werden, um unkontrollierbare Quantensysteme in der Natur zu simulieren.

Bis zum heutigen Tag wurde das vollständige Quanten-Simulationsgerät „Nakai No.1“ in großen Mengen ausgeliefert und erhielt kommerzielle Bestellungen im Millionenbereich; das kommerzielle Quanten-Simulationsgerät „Nakai No.2“ soll voraussichtlich 2027 auf den Markt kommen und sofort einsatzbereit sein.

Warum werden sowohl die Atomsysteme von Bosonen als auch von Fermionen abgedeckt? Der technische Leiter von Nakai Quantum sagte offen: „In der Natur gibt es nur zwei Arten von Atomen, Bosonen und Fermionen. Die gleichzeitige Entwicklung beider Systeme zielt darauf ab, so viele Materialien wie möglich abzudecken.“

Aus technischer Sicht stammt das Kernteam von Nakai Quantum von der Peking-Universität und ist eines der ersten Teams im Inland, das mit der Forschung an ultrakalten Atomen begonnen hat. Nachdem die Atome auf eine ausreichend niedrige Temperatur abgekühlt wurden, können in Kombination mit optischen Gittern kontrollierte Quanten-Vielkörpersysteme untersucht werden;

In Kombination mit optischen Pinzetten und zugehörigen Steuerungsmitteln kann die Atom-Array-Plattform für universelles Computing weiterentwickelt werden. Grundlegende Fähigkeiten wie Atompräparation, Lasersteuerung, Vakuum- und Messsteuerungssysteme können auf beiden Produktlinien wiederverwendet werden.

Abbildung: Das Kernteam von Nakai Quantum

Auf die Planungen für die nächsten ein bis zwei Jahre angesprochen, erklärte FAN Yaoyuan, dass das Team einerseits weiterhin harte Indikatoren wie Gattertreue und globale unabhängige Adressierung verbessern wird, andererseits in zukunftsweisende Forschungen wie die Vernetzung ganzer Geräte investieren wird – seiner Meinung nach wird, wenn die Größe des Neutralatom-Arrays weiter wächst, „wie man die einzelnen Geräte miteinander verbindet“ die nächste Frage sein, die beantwortet werden muss. Gleichzeitig wird die Produktlinie für Quantensimulation die Zusammenarbeit mit Industriepartnern beschleunigen, um die kommerzielle Umsetzung voranzutreiben.

Wie bekannt ist, soll „Qiyuan No.1“ offiziell im vierten Quartal 2026 vorgestellt werden, zu dem Zeitpunkt werden weitere gemessene Indikatoren und Betriebsdetails offengelegt.