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原子運算:使用 1,225 顆中性原子進行量子擴展

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Atom Computing
21 大量子運算公司深度探究系列 - 第 #3 篇,共 21 頁

⚛️ 原子運算:使用 1,225 個中性原子進行量子擴展

從光學鑷子與核自旋量子位元,到與微軟合作的 24 個糾纏邏輯量子位元-Atom Computing 的中性原子平台如何挑戰超導雙頭壟斷,並加速容錯量子運算的競賽。

1,225
AC1000 系統中的物理 Qubits (完全連接)
24
纏結的邏輯 Qubits (與微軟合作記錄,2024 年 11 月)
數十秒
相連時間(核旋轉編碼)
每代 10 倍
Qubit 擴充軌跡(路線圖目標)

⚡ TL;DR - Atom 運算在 2025 年為何重要

  • 規模領導者: 1,225 位元的 AC1000 系統將於 2025 年交付,這是目前市面上最大的中性原子量子計算機。
  • Microsoft 合作夥伴: 2024 年 11 月公佈:24 個糾纏邏輯量子位元 (記錄),Azure 量子整合,2025 年開始商業部署。
  • DARPA QBI 階段 B: 於 2025 年 11 月與 IBM、Google、IonQ 一起獲選 $15M+ 資金,探索公用事業規模的量子運算。
  • 中性原子優勢: 長相干性 (數十秒)、可立即重設的中間電路測量、每一代直接 10 倍擴充。
  • 邏輯 Qubit 突破: 展示 64 個邏輯位元架構、24 個糾纏位元、運行 28 個邏輯位元演算法,證明錯誤修正的可行性。
  • 全球部署: EIFO/Novo Nordisk 基金會 (丹麥)、科羅拉多安舒茲大學 (醫療保健)、NREL (能源網)、Microsoft Azure Quantum (雲端)。
  • 科技護城河: 光學鑷子 + 光學空腔可實現快速擴展,而無需增加實體足跡/功率。可持續的量子運算。

🌌 簡介:中性原子革命

多年來 超導量子位元 在量子運算的領域中,IBM 的模組化晶片、Google 的錯誤修正里程碑、Rigetti 的製造技術進展,都扮演了主導的角色。但在 2025 年末,一種不同的架構正迅速崛起: 中性原子量子計算.

Atom Computing,是一家由 Ben Bloom 博士和 Jonathan King 博士於 2018 年在伯克利創立的初創公司,已成為這個領域的領導者。他們的突破: 1,225 個完全連接的量子位元 在 AC1000 系統中,光學鑷子可在可編程的 2D/3D 陣列中捕捉單個鍶和鈹原子。

「Atom運算最近已成為容錯量子運算競賽中的領先競爭者,因為它能夠直接擴展至在FTQC層級運作所需的效能水準」。 - Atom 運算白皮書 2025

是什麼讓中性原子與眾不同?

  • 可擴充性: Atom Computing 從第一代 (100 位元比特) 到第二代 (1,225 位元比特) 實現了 10 倍的位元增長。路線圖的目標是每一代再增加 10 倍,到第 3 代達到 12,000+ 位元。
  • 長相連: 核自旋量子位保留量子資訊 數十秒 (對比超導量子位元的 100-200 μs),可減少誤差並簡化錯誤修正。
  • 完全連線: 與超導系統中的固定網格拓樸不同,光學鑷子陣列可實現任意位元之間的互動。
  • 永續性: 隨著系統規模擴大,實體佔用空間和能源消耗保持相對穩定,無需大量稀釋冰箱或設備升級。

2024 年 11 月,Atom Computing 與 微軟 以提供 24 個相互糾纏的邏輯量子位元-這是當時最高的記錄。此系統將透過 Azure Quantum 2025 年,標誌著從物理比特到容錯邏輯比特過渡的重要里程碑。

2025 年 11 月、 DARPA 選取 Atom Computing 作為 B 階段的合作夥伴 量子基準計畫 (Quantum Benchmarking Initiative, QBI),提供高達 $1,500 萬美元的獎金,以加速中性原子技術朝向公用事業規模的應用。

本篇深入探討 Atom Computing 的技術如何運作、為何中性原子會挑戰超導雙頭壟斷的局面,以及 2025-2030 年的路線圖為這個崛起中的量子運算競爭者帶來了什麼。

中性原子量子電腦 - 運作概念 | QuEra Computing (3:16)

🔬 第一部分:中性原子量子計算如何運作

1.1 物理學:光學鑷子和雷德堡狀態

光學鑷子 是 Atom Computing 平台的基礎。這些緊密聚焦的雷射光束可產生「陷阱」,將個別中性原子固定在原地。

如何運作:

  1. 雷射對焦: 雷射光束穿過顯微鏡的物鏡,形成一個高度集中的光點。
  2. 光原子互動: 在適當的波長下,強度梯度會產生吸引力,將原子吸向焦點。
  3. 鑷子陣列: 透過操控雷射光束 (使用聲光偏轉器或空間光調變器),可在可編程的 2D 或 3D 配置中同時製造出數百至數千個光鑷。

為何選擇鹼性地球原子(鍶、鈮)?

Atom Computing 使用 鍶-87 (Sr-87)鈮-171 (Yb-171) 因為這些鹼性土原子具有獨特的特性:

  • 核旋轉: 量子位元以原子核的自旋(順時針與逆時針)進行編碼。這種選擇在量子運算中十分罕見,並提供了兩大優勢:
    • 對雜訊不敏感: 原子核可屏蔽外部電磁雜訊,因此相干時間非常長。
    • 無自動衰減: 與電子狀態不同,核自旋量子位元不會衰減至較低的能量狀態,這意味著如果噪音受到控制,將有無限的理論記憶。
  • 光學工具箱: 鹼性土原子支援先進的光學技術(雙光子轉換、窄線寬雷射),可實現精確的控制與量測。

🔹關鍵技術 #2:雙比特閘的雷德堡互動

為了在量子位元間執行量子運算,Atom Computing 使用 Rydberg 狀態-原子的電子軌道遠離原子核的高能狀態。

過程:

  1. 激發: 雷射脈衝可將原子從基態激發至 Rydberg 態。
  2. 互動: 在 Rydberg 狀態下,原子的電子雲非常大,以至於可以「伸手」與鄰近的原子產生強烈的互動(甚至在微米的距離)。
  3. 纏繞: 這種互動會在量子位元之間產生量子糾纏,使雙量子位元門(例如受控-NOT、受控-Z)得以實現。
  4. 回到地面狀態: 在閘極操作之後,原子會回到其基態,保留核自旋中的量子資訊。

優勢: Rydberg 媒介的閘門可在以下兩者之間進行 任何一對量子位元 在陣列中選擇要激發的原子,無需實體接線即可達到完全連通。

1.2 AC1000 系統內部:從烤箱到計算

Atom Computing 的第二代平台 (AC1000) 使用一個 多真空室設計:

🔹室 1:原子源與冷卻

  1. 烤箱: 將鹼性地球金屬 (鍶或鈮) 的固體樣品加熱,形成熱原子流。
  2. 雷射冷卻: 雷射與磁場的結合能快速冷卻原子並將其減速至接近絕對零度,使其幾乎完全停止。
  3. 光學升降器: 一對雷射光束將冷原子從腔室 1 傳送到腔室 2。

🔹室 2:量子計算

  1. 水庫陣列: 冷卻後的原子會停放在稱為「儲存庫」的輔助光學鑷子陣列中,可以隨時重新載入。
  2. 運算陣列: 原子從儲存庫穿梭到主計算陣列,主計算陣列最多可容納 1,225 個原子 在 Gen 2 系統中。
  3. 量子電路執行:
    • 單位元閘門: 特定位置的雷射脈衝可操縱個別的量子位元。閘門可以跨行並行執行,提高計算效率。
    • 2-Qubit 閘門: Rydberg 激發會在量子位元對之間產生糾纏。
    • 中間電路測量: 特定的量子位元可以在不干擾其他量子位元的情況下進行量測,從而實現即時錯誤偵測。
  4. 讀數: 在電路的末端,攝影機會偵測到來自量子比特的光學螢光,將計算結果顯示為 1 和 0 的模式。
  5. 立即重設: 量子位元經重新初始化後,即可執行另一個量子電路,而無須重新載入整個陣列,這是速度上的一大優勢。

🔧 關鍵技術 #3:用於大規模擴展的光腔

Atom Computing 的第 2 代系統推出 光腔-能捕捉光線並產生駐波圖案的共振結構。這些空腔可以:

  • 可擴充的光場: 光學空腔不是單獨的聚焦光束,而是創造週期性的光場,可以誘捕更多的原子。
  • 數量級的成長: 以空腔為基礎的系統可支援 10,000+ 個量子位元,而無須相對地增加雷射功率或光學複雜度。
  • 出版作品: Norcia 等人,「Iterative Assembly of Yb-171 Atom Arrays with Cavity-Enhanced Optical Lattices」,PRX Quantum,2024。

影響: 這項創新為第 3 代系統鋪路,目標為 12,000-15,000 位元組 到 2026-2027 年。

1.3 軟體堆疊:控制系統與 Qubit 虛擬化

Atom Computing 開發 專屬控制系統 量子平台內的所有作業:

  • 脈搏彙編: 量子電路被編譯成精確的時序,用於雷射、影像、磁鐵和光電元件。
  • 中間電路測量: 即時錯誤偵測可辨識哪些 qubit 有錯誤,從而啟用邏輯分支以決定未來的操作。
  • 原子損失偵測: 中性原子面臨的一個挑戰是它們有時會消失(逃離陷阱)。控制系統會偵測發光來檢查原子是否存在,並在不停止計算的情況下修正損失。

Microsoft 整合: Atom Computing 的硬體與 Microsoft 的 Azure Quantum 虛擬化系統,其中規定:

  • Qubit 虛擬化: 將物理量子位元抽象為邏輯量子位元,優化中性原子硬體的錯誤修正。
  • 混合工作流程: 與 Azure 上的經典 HPC 和 AI 資源無縫整合。
  • 雲端存取: 開發人員可透過 Azure Quantum 存取 Atom Computing 的系統,而無需直接管理硬體。
量子運算 2025 更新 - ExplainingComputers (17:05) - 主要介紹原子運算、Google Willow、IBM 以及中性原子創新技術

🏆 第二部分:2024-2025 年的突破與里程碑

2.1 記錄:與 Microsoft 合作的 24 個纏繞邏輯 Qubits (2024 年 11 月)

2024 年 11 月、 微軟與 Atom Computing 宣佈 重大突破: 24 個相互糾纏的邏輯量子位元-這是當時最高的記錄。

「通過將我們最先進的中性原子量子位元與微軟的量子位元虛擬化系統相結合,我們現在能夠在商用量子機上提供可靠的邏輯量子位元」。 - Ben Bloom,Atom Computing 創辦人兼執行長

技術細節:

  • 建築: 由 80 個實體量子位元建立 20 個邏輯量子位元 (4:1 編碼比率)。
  • 演算法: 成功執行 Bernstein-Vazirani 演算法,它展示了量子疊加和干涉。雖然這是一種概念驗證演算法,但它驗證了邏輯量子位元能以 優於物理的保真度.
  • 原子損失校正: 系統會重覆偵測中性原子消失的時間,並修正損失 不停止計算-這是量子運算領域的首創。
  • 錯誤抑制: 邏輯量子位元比實體量子位元的效能有所改善,證實錯誤校正正按照預期的方式運作。

為什麼重要?

  • 商業可行性: 邏輯量子位元是容錯量子運算的基礎。這項展示證明中性原子已準備好進行早期的商業應用。
  • Microsoft 合作夥伴: Azure Quantum 的整合提供雲端存取,讓全球的研究人員和企業都能存取 Atom Computing 的技術。
  • 競爭定位: 在公佈時,這已超越 Quantinuum 等競爭對手 (2024 年 9 月與 Microsoft 合作推出 12 個邏輯量子位元)。

2.2 AC1000 系統:1,225 Qubits 商用 (2025)

Atom Computing 的第二代系統、 AC1000, 在 2025 年進入商業部署:

規格 AC1000 (Gen 2) 第一代系統
物理 Qubits 1,225 (完全連線) ~100
Qubit 類型 核自旋(Yb-171、Sr-87) 核旋轉
相連時間 數十秒 數十秒
陣列填充 >99% (幾近完美) ~95%
中間電路測量 是,可立即重設
邏輯 Qubits 64 邏輯位元架構已展示;50 多項商用產品 不適用
雲端存取 Microsoft Azure Quantum 有限責任
現場可用性 是 (2025 年推出) 沒有

AC1000 的主要創新:

  • 光學空腔: 空穴增強光學晶格可實現可擴展的原子載入和操控(Norcia 等人,PRX Quantum 2024)。
  • 高保真閘門: 使用 Rydberg 態的二量子比特閘可達到 >99% 的保真度 (Muniz 等人,arXiv 2024)。
  • 即時錯誤校正: 微秒延遲的中間電路測量可在計算期間進行動態錯誤修正。

2.3 DARPA QBI 階段 B 篩選 (2025 年 11 月)

2025 年 11 月、 DARPA 選擇 Atom Computing 為其 B 階段 量子基準計劃 (QBI).該計畫旨在確定是否能在 2033 年之前開發出具有工業用途的量子計算機 - 其計算價值超過其成本。

階段 B 詳情:

  • 經費: 高達 $15 百萬 一年以上
  • 目標: 利用中性原子系統展示公用設施規模的量子操作
  • 競賽: 11 家公司晉級至 B 階段,包括 IBM、Google、IonQ、Quantinuum、QuEra (也是中性原子)
  • 評估標準: 成本效益、可擴充性、特定應用效能 (不只是原始量子位元數)
"Atom Computing 已經展示了公用規模的量子運算,並吸引了 DARPA 的注意。QBI 計畫將加速我們邁向容錯系統的路線圖"。 - Atom Computing 新聞稿,2025 年 11 月

為何 DARPA 選擇原子運算:

  • 可擴充性: 在競爭平台中,每代 10 倍的量子位成長是無與倫比的
  • 邏輯 Qubit 進展: 24 個糾纏的邏輯量子位元和 28 個邏輯量子位元演算法的執行,證明已準備好進行錯誤修正
  • 永續性: 中性原子系統在不增加大量實體佔用空間或能源消耗的情況下進行擴展

2.4 全球部署:丹麥、醫療保健、能源

Atom Computing 系統已在全球部署,用於研究和商業應用:

🔹 QuNorth:丹麥合作夥伴 (2025年7月)

  • 合作夥伴: EIFO(歐洲跨學科論壇)和 Novo Nordisk 基金會
  • 系統: 部署中的「全球最強大量子電腦」-擁有 1,225+ 量子位元的 AC1000
  • 地點: 北歐地區第一個 2 級(彈性)量子系統
  • 應用: 藥物發現、材料科學、醫療保健最佳化

科羅拉多大學安舒茨分校:醫療照護應用

  • 焦點: 量子計算用於醫療保健-診斷、個人化醫學、藥物交互作用建模
  • 合作夥伴公告: 2024
  • 目標: 探索可處理複雜生物資料集的量子演算法

🔹NREL(國家可再生能源實驗室):能源網

  • 焦點: 與電網設備連接的量子電腦
  • 公告: 2023 (早期合作關係)
  • 應用: 電網最佳化、可再生能源整合、災害應變

💡 AI 提示:比較中性原子與超導量子位元

提示: 「建立中性原子量子運算 (如 Atom Computing) 與超導量子運算 (如 IBM Quantum) 的詳細比較表,涵蓋:相干時間、閘門保真度、可擴充性、連通性、作業溫度、實體足跡以及錯誤修正準備。包括每種方法的利弊"。

⚔️ 第 3 部分:原子運算對量子場

3.1 中性原子競爭者:QuEra、Pasqal、Infleqtion

Atom Computing 在中性原子領域並非孤軍奮戰。有幾家競爭對手也在推動類似的技術:

公司簡介 地點 Qubits (2025) 關鍵差異
Atom Computing 美國(加州柏克萊) 1,225 核自旋量子位元;微軟合作夥伴;24 個邏輯量子位元;DARPA QBI 階段 B
QuEra Computing 美國(馬薩諸塞州波士頓) 256 (Aquila on Amazon Braket) 公共雲存取;類比量子模擬;哈佛附贈產品;DARPA QBI 階段 B
Pasqal 法國(巴黎) 100-200 (各種系統) 專注於歐洲;內部部署;Aramco 合作夥伴關係(200 位元 Dhahran 系統)
資訊 美國(科羅拉多州博爾德) ~100 (專注於感測) 量子感測與導航;原子鐘;RF 光圈;雙焦點 (計算 + 感測)

Atom Computing 的優勢:

  • Qubit Count 領導地位: 1,225 個量子位元大幅超越 QuEra (256) 和 Pasqal (200)
  • 邏輯 Qubit 進展: 24 個互相糾纏的邏輯量子位元是中性原子系統中所展示的最高值
  • Microsoft 合作夥伴: Azure Quantum 整合提供企業級雲端存取與量子位元虛擬化
  • 核鏈編碼: 獨特的方法,相干時間比電子狀態編碼更優異

3.2 超導雙頭壟斷:IBM 與 Google

Atom Computing 最大的挑戰並不是其他中性原子新創公司,而是我們自己。 超導雙極體 的 IBM 和 Google。

公制 IBM Quantum Google Quantum AI Atom Computing
物理 Qubits (2025) 1,121 (Condor) 105 (Willow) 1,225 (AC1000)
邏輯 Qubits 2026 年的路線圖目標 指數誤差抑制(3×3 至 7×7 網格) 24 entangled (record)
相連時間 100-200 μs 100-200 μs 數十秒 (100,000-200,000 μs)
連接性 固定網格 (最近鄰) 固定網格 (最近鄰) 任意對任意(光學鑷子)
擴充挑戰 稀釋冰箱;接線複雜性 晶片製造;串音 原子負載;Rydberg 柵極保真度
操作溫度 ~15 mK(毫開爾文) ~15 mK ~1 μK(微高溫,但室溫基礎結構)
能源消耗 高(與量子位元數成正比) 相對固定 (雷射 + 真空)
市場成熟度 非常高 (已部署 100 個以上的系統) 高(外部存取受限) 中度 (已部署 10 個以上系統)

分析:

  • Atom Computing 勝出: 相連時間、連通性、能源效率
  • IBM/Google Win: 市場成熟度、生態系統(軟體、合作夥伴)、製造基礎設施
  • 野卡: 邏輯量子位元競賽-Atom Computing 的 24 個糾纏邏輯量子位元 (2024 年 11 月) vs. Google 的錯誤抑制示範 (2025 年 12 月)。這兩種方法都是有效的,但擴充邏輯量子位元是 2026-2027 年的關鍵戰場。

📊 2025 年秋季的專家共識

根據 Stanley Laman 在 2025 年 11 月的分析:

"最重要的發展 quantum ai 2025 年秋季計算機的突破期並不是 IBM 的 1,121 位元處理器或 Google 的錯誤修正。而是 Atom Computing 和 QuEra 所展示的 與超導方法相比,中性原子系統的擴展速度更快、運行更持久.”

3.3 誘捕離子競爭者:IonQ、Quantinuum

誘捕離子系統 (IonQ、Quantinuum) 提供第三種方法,具備以下特點 最高閘極保真度 (99.9%+) 但卻面臨擴充能力的挑戰:

  • IonQ: Aria 系統中有 ~100 個量子位元;保真度高,但擴充能力有限
  • Quantinuum: ~56 個量子位元 (H2);12 個與 Microsoft 合作的邏輯量子位元 (2024 年 9 月);強大的量子體積

Atom Computing 的定位:

  • 擴充性優勢: 1,225 個量子位元 vs. 誘捕離子約 100 個量子位元
  • 保真度權衡: 誘捕離子具有較高的單/雙量子位元閘保真度,但 Atom Computing 的長相干性可透過錯誤修正來補償較低的保真度
  • 邏輯 Qubit Race: Atom Computing (24 個邏輯) vs. Quantinuum (12 個邏輯)-兩者皆透過 Microsoft 合作夥伴關係達成
公司誓言在科羅拉多州製造量子電腦 - FOX31 Denver (1:00) - Atom Computing 的博爾德製造工廠

🚀 第四部分:2026-2030 年路線圖與大膽預測

4.1 Atom Computing 的既定路線圖

Atom Computing 目標 每代 10 倍量子比特縮放:

世代 年份 物理 Qubits 邏輯 Qubits (估計) 重要里程碑
Gen 1 2021-2023 ~100 不適用 概念驗證;電路中段量測
第 2 代 (AC1000) 2024-2025 1,225 24 個糾纏;50+ 個商業 Microsoft 合作夥伴;DARPA QBI 階段 B;商業部署
第3代 2026-2027 12,000-15,000 100-200 光腔縮放;公用事業規模應用
第 4 代 2028-2029 100,000+ 1,000+ 容錯量子運算;商業量子優勢
第五代 2030+ 1,000,000+ 10,000+ 大規模錯誤校正量子電腦;轉型應用

主要假設:

  • 10 倍縮放: 藉由光學空腔技術和原子載入/操控的迭代改進來實現
  • Error Correction Overhead(錯誤修正開銷): 假設每個邏輯量子位元有 ~10-100 個實體量子位元 (依糾錯碼和保真度改善而異)
  • 一致性維護: 核自旋編碼可在系統擴展時保持長相連性

4.2 對原子運算的大膽預測 (2026-2030)

2026:

  • 100 個邏輯 Qubits: Azure Quantum 產品擴充至 100+ 邏輯量子位元,可實現早期化學與材料科學應用。
  • 財富 500 強飛行員: 5-10 家財富 500 大企業 (製藥、能源、金融) 部署 Atom Computing 系統於內部或透過雲端。
  • DARPA QBI 階段 C: Atom Computing 與其他 3 至 5 家公司一起晉升到 C 階段(最後階段),獲得 $.5 億美元以上的額外資金。

2027:

  • Gen 3 發表: 12,000 位元系統商業化。Atom Computing 的原始量子位元數超越了 IBM 和 Google。
  • 第一個量子設計的分子: 製藥公司宣佈使用 Atom Computing 的平台發現候選藥物,進入臨床試驗的時間比傳統方法快 3-5 年。
  • 首次公開募股或重大收購: Atom Computing 以 $5-10B 的估值上市,或被 Microsoft、Amazon 或 Intel 收購。

2028:

  • 1,000 邏輯 Qubits: 容錯量子運算在最佳化與模擬工作負載上變得可行。Atom Computing 佔有 20%+ 的商用量子運算市場。
  • Hybrid Quantum-AI 平台: 與 NVIDIA GPU 和 Azure AI 整合,為企業 AI 工作負載建立混合量子古典平台。

2029-2030:

  • 材料科學中的量子優勢: Atom Computing 的系統可以解決傳統電腦無法解決的材料發現問題 (電池設計、超導體)。
  • 100,000+ Qubit 系統: 第 4 代系統部署於全球的國家實驗室、主要科技公司和研究機構。
  • 能源網部署: NREL 合作夥伴關係促成量子優化電網管理系統在美國和歐盟部署,改善可再生能源整合 30%。

🔮逆向預測:中性原子「接管」2028 年

論文: 到 2028 年,中性原子系統 (Atom Computing、QuEra、Pasqal) 的總量將超越超導系統 (IBM、Google、Rigetti)。 部署的邏輯位元容量.

理據:

  • 可擴充性: 10 倍的擴充軌跡對比超導的 2-3 倍
  • 永續性: 中性原子不需要大量的稀釋冰箱-更容易在現場部署
  • 長相連: 減少錯誤修正開銷,允許更高的邏輯與實體量子位元比率
  • Microsoft 支援: Azure Quantum 優先採用 Atom Computing,使其具備企業發行優勢

風險: 超導平台可能會在製造或誤差修正方面取得突破,以維持其領先地位。但中性原子擁有動力。

💡 AI 提示:Atom Computing SWOT 分析

提示: "針對量子運算市場中的 Atom Computing 進行全面的 SWOT 分析。請考慮優勢 (技術、合作關係、團隊)、弱點 (市場成熟度、生態系統缺口)、機會 (擴充路線圖、商業應用、併購)、威脅 (IBM/Google 競爭、資金挑戰、技術風險)。包括 2026-2027 年的可行建議"。

💼第 5 部分:應用程式與真實世界使用案例

5.1 藥物發現與醫療保健

科羅拉多大學 Anschutz 合作夥伴:

  • 目標: 量子計算用於個人化醫療、藥物交互作用建模、基因組學
  • 挑戰: 傳統電腦難以處理高維生物資料集(蛋白質折疊、藥物與靶點之間的相互作用)
  • Atom 運算優勢: 長相干性允許分子模擬的深度量子電路;1,225 量子位元可實現更大的分子系統

Novo Nordisk 基金會(丹麥):

  • 焦點: 糖尿病、肥胖症、慢性疾病的藥物研發
  • 系統: 在 QuNorth 設施中部署了具有 1,225 個量子位元的 AC1000
  • 預期影響: 將藥物研發時間縮短 2-3 年;找出新的治療目標

5.2 材料科學與化學

量子化學模擬:

  • 申請: 模擬量子層級的化學反應 - 對於電池設計、催化劑開發及超導體非常重要
  • 經典限制: 複雜性隨著分子大小的增加而呈指數級成長
  • 原子運算方法: 變量量子求解器 (VQE) 演算法將分子漢密爾頓映射到量子位元陣列上

範例:鋰空氣電池

  • 挑戰: 經典模擬無法精確模擬鋰空氣電池中的氧還原反應
  • 量子解決方案: Atom Computing 的系統可以模擬反應路徑,預測最佳催化劑材料
  • 影響: 使下一代電池的能量密度達到鋰離子電池的 10 倍

5.3 能源網最佳化

NREL 合作夥伴:

  • 焦點: 與電網設備連接的量子電腦
  • 挑戰: 平衡分散式可再生能源(太陽能、風能)的供需需要即時解決複雜的最佳化問題
  • Atom Computing 解決方案: 量子近似最佳化演算法 (QAOA) 可以比經典方法更快找到接近最佳的網格配置

使用個案:災害應變

  • 情景: 颶風摧毀輸電線路;量子系統快速重新配置電網以減少中斷情況
  • 古典時代: 小時至天數
  • 量子時間: 分鐘至小時

5.4 財務與最佳化

投資組合最佳化:

  • 問題: 在具有複雜限制(風險承受能力、行業風險、流動性)的數千種資產中優化投資組合分配
  • 量子優勢: 比傳統最佳化加速四倍;探索指數級更多的組合組合

風險建模:

  • 申請: Monte Carlo 模擬計算風險值 (VaR)
  • Atom 運算優勢: 量子蒙特卡洛演算法可在維持精確度的同時,將場景數從數百萬種減少至數千種
前 15 項量子運算新突破 - AI 揭秘 (11:47) - 包括原子運算、中性原子和 2025 年里程碑

⚠️ 第六部分:挑戰、風險和未決問題

6.1 技術挑戰

1.原子損失(原子消失)

  • 問題: 中性原子在計算過程中有時會從光學鑷子中逃脫
  • 目前的解決方案: 微軟的量子比特虛擬化系統可偵測損失,並在不中斷計算的情況下進行修正
  • 餘下的挑戰: 當系統規模增加到 10,000+ 位元比特時,損失率需要降低

2.雷德堡門保真度

  • 狀態: 使用 Rydberg 互動的雙位元閘門達到 >99% 的保真度,但低於受困離子等級 (99.9%+)
  • 影響: 每個邏輯量子位元需要更多實體量子位元來進行錯誤修正
  • 前進之路: 改善雷射控制、更好的脈衝整形、減少串音

3.光腔縮放

  • 挑戰: 在光腔中的 10,000+ 個原子上維持均勻的光場
  • 狀態: 已展示多達 1,225 個原子;第 3 代將測試 10,000+ 個規模
  • 風險: 非均勻性可能會導致量子位與量子位之間的效能差異

6.2 市場與競爭風險

1.超導主導

  • 風險: IBM 和 Google 擁有成熟的生態系統 (Qiskit、Cirq)、廣泛的開發者社群和製造基礎設施
  • 緩解措施: Microsoft 合作夥伴關係提供 Azure Quantum 生態系統;著重於透過長期一致性和可擴展性來實現差異化

2.2026 年的資金挑戰

  • 上下文: 隨著時間線的延長和早期炒作的消退,私人量子基金正在收縮
  • Atom 運算優勢: DARPA QBI 資金($15M B 階段,可能 $50M+ C 階段)和 Microsoft 合作關係減少了對風險投資公司資金的依賴。
  • 前進之路: 在融資寒冬加深之前,由 Microsoft/Amazon/Intel 進行 IPO 或策略性收購

3.應用就緒差距

  • 挑戰: 大多數應用需要 1,000+ 個邏輯比特,而這些比特要到 2028-2029 年才會出現。
  • 近期策略: 專注於早期市場(藥物發現、材料科學),50-200 個邏輯比特可提供價值

6.3 開放式問題

  • 第 3 代以後,10 倍擴充還能繼續嗎? 光腔可實現第 3 代 (12,000 個量子位元),但第 4 代 (100,000+) 可能需要新的創新。
  • 微軟會收購 Atom Computing 嗎? 深厚的合作關係 + Azure 整合 + 邏輯比特的成功,讓收購在 2026-2027 年前變得順理成章。
  • 中性原子能否匹配超導閘極保真度? 目前的差距 (99% 對比 99.5%+)正在縮小,但仍是一項挑戰。
  • 如果 DARPA QBI 資金不再繼續,會發生什麼事? B 階段為一年 ($15M)。C 階段的資金並非保證;Atom Computing 必須證明成本效益。

🎯 結論:原子運算的量子領導之路

Atom Computing 正處於量子運算競賽的關鍵時刻。隨著 1,225 位元, 24 個相互糾纏的邏輯量子位元和一個 微軟合作夥伴關係該公司已證明,中性原子系統不僅是學術上的好奇心,更是挑戰超導雙頭壟斷的商業可行平台。

主要心得:

  • 技術差異化: 核自旋量子位元 + 光學鑷子 + 光學空腔,以最小的足跡/能量成長,實現每一代 10 倍的擴充。
  • 邏輯 Qubit 領導力: 24 個糾纏的邏輯量子位元(2024 年 11 月)和 28 個邏輯量子位元演算法的執行,展示了錯誤校正的就緒狀態。
  • 策略定位: Microsoft Azure Quantum 整合提供企業分銷;DARPA QBI B 階段資金驗證技術;全球部署(丹麥、科羅拉多州)證明商業需求。
  • 路線圖可信度: 從第 1 代 (100 位元比特) 到第 2 代 (1,225 位元比特) 的 10 倍擴充,驗證了路線圖;第 3 代 (12,000 位元比特) 的目標為 2026-2027 年。
  • 市場動能: 中性原子系統 (Atom Computing + QuEra + Pasqal) 是對 IBM 和 Google 領導地位的嚴重挑戰。

2026-2027 年值得關注的催化劑:

  1. 100 個邏輯 Qubits: Azure Quantum 產品擴充-將引發《財富》500 強試驗計劃
  2. DARPA QBI 階段 C: 最後階段篩選 (3-5 家公司),$5000M 以上的資金-關鍵驗證
  3. Gen 3 發表: 12,000 位元系統-Atom Computing 會超越 IBM 的位元數嗎?
  4. 微軟收購? 深度整合 + 邏輯比特的成功,使得收購的可能性越來越大
  5. 第一種量子設計藥物: Novo Nordisk 與科羅拉多大學合作,提供處於臨床階段的分子

最後判斷: Atom Computing 是 最可信的挑戰者 超導量子運算的主導地位。雖然 IBM 和 Google 擁有生態系統的優勢,但 Atom Computing 的技術提供了優異的擴充性、相連性和永續性。2026-2030 年將決定中性原子能否將這些優勢轉化為市場領導地位,或是超導系統能否維持其先發優勢。

量子革命正在加速,而 Atom Computing 將成為主要的參與者。邁向 10,000+ 個邏輯量子位元的競賽正在進行中,而這些位元所能實現的轉型應用也在進行中。

💡 AI 提示:原子運算投資論文

提示: "為 Atom Computing 撰寫一份 5 頁的投資論文,內容包括:技術壕堑 (中性原子與超導)、市場機會 (2026-2035 年量子運算的 TAM/SAM/SOM)、競爭定位 (與 IBM、Google、IonQ 的對比)、財務預測 (營收、利潤率、資本需求)、退出方案 (IPO 估值模型、策略性收購候選公司),以及主要風險。包括與 IonQ、Rigetti 和 D-Wave 的可比公司分析"。

Ὅ來源與參考資料

  1. Atom Computing 白皮書 2025: "使用中性原子的高擴展性量子計算」- PDF 連結
  2. Microsoft 與 Atom Computing: 「24個纏繞邏輯 Qubits 記錄」(2024 年 11 月)- 天域網誌
  3. TechCrunch: 「微軟與 Atom Computing 將於 2025 年推出商用量子電腦」(2024 年 11 月) - 連結
  4. DARPA QBI 階段 B 公告: "Atom Computing 入選量子基準計畫」(2025 年 11 月)- - DARPA 網站
  5. Norcia 等人,PRX Quantum 2024: 「迭代組裝具有空腔增強光學晶格的 Yb-171 原子陣列」 - 連結
  6. Reichardt 等人,arXiv 2024: "使用中性原子量子處理器展示邏輯計算」- arXiv
  7. Muniz 等人,arXiv 2024: 「Yb-171基態核自旋量子比特中的高保真通用閘」 - arXiv
  8. EIFO/Novo Nordisk 基金會: 「QuNorth:世界上最強大的量子電腦"(2025 年 7 月) - 連結
  9. 科羅拉多大學安舒茨分校: 「建立合作夥伴關係,探索量子運算在醫療保健領域的應用」(2024)- 連結
  10. NREL: "量子電腦現在可與電網設備連接」(2023) - 連結
  11. Stanley Laman 分析: 「為什麼中性 Atom 系統可以顛覆 IBM-Google 的雙頭壟斷」(2025 年 11 月)- 連結
  12. Atom Computing 網站: 技術、新聞和資源 - atom-computing.com

前 21 大量子運算公司深入探討系列

文章 #3:原子運算 | 1,225 Qubits | 中性原子領導地位

目前可用: IBM Quantum | Google Quantum AI | Atom Computing

即將推出: IonQ、Rigetti、Xanadu、PsiQuantum、Quantinuum 及其他 13 種產品

© 2025 量子運算深度探究系列 | 最近更新:2025 年 12 月 | 下次更新:Q1 2026

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