量子系统的模拟以及利用量子力学效应进行计算的系统的开发，依赖于以高精度将原子排列成特定模式的能力。为了将原子排列成有序的阵列，物理学家通常使用光镊——一种能够捕获粒子的高度聚焦激光束。

中国科学技术大学和上海人工智能实验室的研究人员最近推出了一种新的人工智能(AI)协议，该协议可以将数千个原子排列成阵列，同时确保这些阵列没有缺陷(即没有缺失的原子)。

他们在《物理评论快报》上发表的一篇论文中介绍了他们提出的方法，该方法使用通过称为空间调制器的设备投射的全息图(即计算机生成的光全息图)以及可以规划所有被捕获的原子同时移动到所需位置的人工智能算法，实时快速地校正阵列。

“我们对中性原子阵列的最初兴趣，实际上源于对爱因斯坦和玻尔关于反冲缝隙思想实验长达百年之久的争论的根本兴趣，”该论文的共同资深作者、陆朝阳教授告诉Phys.org。“大约五年前，我们开始探索如何利用一个被光镊捕获并冷却至基态的三维原子，作为量子限制的反冲缝隙，忠实地实现爱因斯坦的思想实验。与此同时，我们也认识到原子阵列作为量子计算的简洁美观平台的巨大潜力。”

这项最新研究旨在将人工智能技术与量子物理学相结合，以解决组装原子阵列时遇到的一项众所周知的挑战。首席研究员之一是钟汉森博士，他是陆教授的学生，在中国科学技术大学获得博士学位后，开始在上海人工智能实验室工作。

“我们认识到，科学人工智能 (AI for Science) 正在成为解决复杂科学问题的强大范例，并正在与 Han-Sen 就此进行持续讨论，”Lu 说道。“这促使我们利用人工智能来解决原子阵列领域的一个长期挑战：如何以高效、快速且可扩展的方式重新排列大规模原子阵列。这是‘AI4Q’(量子人工智能)的一个非常好的例子。”

钟教授当时是卢教授研究小组的学生，他设计了一个人工智能驱动的框架，可以规划光镊阵列中所有原子的同时移动。在该团队的实验中，光镊阵列是使用高速空间光调制器(SLM)生成的，SLM是一种可以将全息图印在入射激光束上的设备。

“我们使用人工智能模型计算全息图，以实现原子的实时重排，”钟教授解释道。“通过精确控制镊子阵列的位置和相位，所有原子可以同时移动。实验中，我们演示了在短短60毫秒内组装出多达2024个原子的无缺陷二维和三维原子阵列。值得注意的是，无论阵列大小如何，时间成本都保持不变，这使得该方法未来可以轻松扩展到10,000个甚至100,000个原子。”研究人员提出的方法分析了随机加载的原子阵列，并计算出从光镊中加载的原子到缺失原子的目标位置的最佳路径。然后，该路径被划分为一系列底层步骤。

“整个路径被分为N个步骤，对于每个小步骤，我们都使用AI模型计算SLM的全息图，并精确控制光镊阵列的位置和相位，”钟教授说道。“所有原子实时同步移动。我们的方法实现了高度并行性，从而实现了快速且恒定的时间性能。”

该团队组装无缺陷中性原子阵列方法的一个显著特点是，它能够实现所有原子的平行移动，从而形成无缺陷阵列。这与之前介绍的按顺序移动原子的方法形成了鲜明对比。

“无论阵列大小如何，我们都实现了快速且恒定时间的重新排列，”卢说。

这项研究为实现由无缺陷原子阵列组成的量子系统开辟了新的可能性。这些系统反过来可以用来可靠地执行量子模拟或计算。

“我们的下一个目标是展示基于原子量子比特的量子纠错和容错量子计算，”该论文的共同资深作者潘建伟教授补充道。