量子计算机“补货”：原子装载如何提速近100倍
量子计算机“补货”：原子装载如何提速近100倍
直播时间： 2026年10月16日（周五）20:00——21:3
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量子计算很火，但它究竟怎样工作，一项研究突破又意味着什么，许多人仍说不清。iCANX“顶刊第一现场”邀请李一一，以论文作者的第一视角讲述自己的实验，让我们有机会从具体问题读懂前沿科学。这也是iSTEP的理念：先把科学理解清楚，再发现应用与合作的可能。
2026年9月17日，普林斯顿大学Jeff Thompson团队在《Science》发表了一项研究。李一一和同事把原子补给中的关键装载环节推进到约1毫秒，并验证了准备新原子时，已有原子仍能保持信息、执行操作。
10月16日晚，李一一将来到iCANX“顶刊第一现场”，介绍团队的设计与实验；多位从事相关研究和工程实践的嘉宾，将共同参与研讨。
一、光给原子安排座位，原子却可能中途“离场”
普通电脑用芯片里的电子器件处理信息。中性原子量子计算，选择用原子的内部状态承载信息，再用激光等手段控制它们。“中性”，指的是原子整体不带净电荷。科学家把量子信息的基本单元叫“量子比特”。在这条路线里，用原子的两种选定内部状态来承载它。
科学家先把原子的运动慢下来，再用光把它们限制在指定区域。这种工具叫“光镊”，可以暂时理解为光做成的小座位。许多座位排列起来，就形成原子阵列。随后，研究人员控制原子中的信息，让它们按设计发生相互作用，完成特定操作。像一支需要精确配合的乐队，每个成员有任务，配合也有规则。
这个类比帮助我们理解成员、位置和协同，真实计算遵循的是微观世界的量子规律。麻烦在于，碰撞、搬运或某些操作，可能让原子从光形成的“座位”上离开。计算越长，就越需要处理这种损失。在单个原子损失概率相近 的情况下，队伍越大，整个系统需要处理的缺员也越多。
所以，准备好一批原子只是开始。希望机器持续工作，还要解决：新成员从哪里来，多久到位，进场时会不会扰乱已有成员？
二、李一一和同事，给机器建了一个“随取随补”的后台
如果乐手离场后，还要临时找人、赶到现场、完成准备，演出的衔接就会很困难。新原子进入实验系统，也需要捕获、冷却、装载，随后还要检查并调整到所需状态。李一一团队的安排，是在计算区域附近，维持一团持续得到补充的冷原子。需要提取时，可移动的光镊就到那里装载，再带往后续区域。这像一直有人候场的后台，也像楼顶水塔：管道持续补水，楼下需要用水时，就从已有储备中取用。
持续储备与就近取用，让补给中的等待大幅缩短。 用论文的特征装载时间比较：此前一种双物种方案约90毫秒，团队的新设计约1毫秒，这一步的提速接近百倍。1毫秒，就是一秒的一千分之一。
它衡量的是装入光陷阱的时间尺度。抓到原子之后，运输、检查和状态准备还需要时间。把单原子制备、成像和初始化等步骤算进去，实验中可每秒准备约30组随机填充的新阵列。像一条流水线，第一道工序加快了，后面的工序还要继续配合。
三、真正难的，是“后台忙起来，前台还能保持状态”
准备新原子，需要激光参与。但光既能控制原子，也可能扰乱已有原子中存储的信息。还是想象那场演出：后台不断有人准备、走动、交接，前台却要维持原来的精确配合。
在量子系统里，需要保护的不只是原子还在座位上，还包括承载信息所依赖的微观状态。研究人员把相关的信息保持能力称作“相干性”。
补得快、供应持续、尽量少打扰已有信息，三项要求需要一起满足。 团队选择镱-171，并采用一种对补给用光不那么敏感的信息存储方式。可以类比两台调到不同频道的收音机：各自主要对合适的信号作出响应，从而减少相互干扰。原子对光的响应比收音机复杂得多，效果需要实验检验。
研究人员对比了补给开启和关闭时，已有量子比特的存活与信息保持能力，还在补给期间让单个原子执行规定动作。 在这些实验条件与测量精度下，没有观察到补给导致的可分辨额外退化。 这项进展把原子的内部性质，接到了机器持续工作的工程需求上：新的物理资源可以不断准备，已有量子比特也能同时保持信息、执行操作。
四、她和团队为什么厉害？把微观理解做成可验证的装置
李一一于2021年本科毕业于北京大学，目前在普林斯顿师从Jeff Thompson攻读博士，是这篇论文署名第一的共同第一作者。普林斯顿对她的介绍，特别记录了她对持续补充原子实验系统的构思、设计和搭建，也提到她此前搭建测量装置，帮助团队发现并解决原子操作中的问题。
这些经历让人看见一种重要能力： 既能追问微观世界为什么这样，也能把理解变成真正做得出、测得到的实验。 画出一张设想图，和让装置按设想工作，之间隔着很长的路。原子在哪里，光怎样照射，什么时候移动，怎样检查，每个环节都要在真实系统中找到答案。
做出来之后，还要给出证据：快在哪里？有没有影响已有信息？哪些环节仍需完善？ 物理理解、系统设计和实验验证，在这项工作里连了起来。 这就是李一一及其共同作者贡献的具体落点。
也有一个容易误会的地方：新原子到了，丢失的信息不会自动回来。像换上一只空白U盘，新的存储载体插进电脑，原来那只里面的内容并不会自行出现。量子信息有自己的处理规则，补入新原子，还需要与纠错等机制配合。
接下来，研究者要继续把发现缺员、安排新原子、原子间的联合操作和错误处理连起来。这篇论文推进了重要供给能力，完整系统仍需进一步整合。它让后续任务更具体：我们知道了一种有效的补给办法，也更清楚下一步需要把哪些环节做好。
五、对产业有什么影响？从机器持续工作，到别人也能用的工具
最直接的影响，是为未来处理器的设计提供新的实验依据。在这套镱-171平台上，新原子的准备可以与已有量子比特的操作并行。研究者由此能够进一步探索，怎样把持续补给接入更长的操作过程，并与反复进行的错误检查和处理配合。
就像规划一座工厂，验证某项维护能够与部分生产环节并行之后，工程团队就有了条件继续设计更完整的运行安排。更近的产业需求，还在实验装备里。我们想象中的“小座位”和“后台”，实际需要激光、镜片、真空设备、电源与控制系统。一束光何时打开，原子何时移动，何时检查结果，都需要可靠的仪器与配合。
论文指出，装载加快之后，成像、冷却和单原子制备等步骤，成为准备流程的重要耗时来源。这为后续研发提出了具体任务：怎样看得更快，控得更准，让各环节稳定衔接？整机团队、仪器团队和部件供应商，都可能参与解决。
一个有效方法，也可能进一步做成其他实验室可以使用的工具或模块。形成产品，还要经过重复测试、系统集成和实际使用检验。
更远处，是量子计算研究材料、分子等复杂微观系统的潜力。拿电池材料作一个方向性的例子：为什么有的材料更适合储能？内部结构怎样影响性能？研究者需要用实验和计算检验想法。
如果未来量子工具能帮助解决其中某些难题，影响才可能沿着 “研究方法—材料设计—产品研发” ，一步步走到日常生活里。
这篇论文推进的是底层运行能力，后续处理器、算法与应用研究仍要继续发展。 前沿发现会提出新的工程需求；把这些需求做成可用工具，再接到真实问题上，就形成产业能够参与的工作。
六、iCANX“顶刊第一现场”邀请不同专业的人，把一项前沿研究聊明白
iCANX“顶刊第一现场”邀请李一一主讲、彭湃主持，张昊、游畅、王国庆、于勇、王宣恺、印真参与研讨。李一一是论文作者，参与了这套原子补给装置的设计与搭建。听她讲述，可以从研究者的第一视角，理解实验为什么这样做、结果说明了什么。
主持人彭湃来自北京大学，曾在普林斯顿从事博士后研究，长期研究中性原子量子计算与原子操控。北京大学王国庆的研究则涵盖量子计算、模拟与精密测量。
张昊来自中国工程物理研究院研究生院，有建设原子阵列实验平台的经验；于勇来自中国科学技术大学，研究量子网络与信息处理；同样来自中国科学技术大学的游畅，关注冷原子与原子成像。
王宣恺是太微量子创始人，有原子实验和精密仪器研发经验；印真来自同济大学，研究物理启发的机器人与具身智能，为交流带来跨领域的系统视角。
这些嘉宾的经验，覆盖了物理研究、实验搭建、仪器研发和复杂系统。把他们聚在一起，一项成果就能从几个角度得到解释：原理是什么，实验怎样完成，工程上还需要做什么，未来可能用在哪里。
这正是iCANX这场交流的价值： 由论文作者讲清发现，再让不同专业的人补充各自的理解，帮助更多读者把前沿科学与实际应用联系起来。
七、从把科学讲清楚，到让合适的人一起往前走
这也让我们更容易理解iSTEP国际科技创业平台希望做的事。iSTEP把国际视野、科学判断、成果转化、创业项目和平台生态联系起来，强调共创、共建、共赢。转化可以选择创业，也可以通过企业合作、共同开发或技术授权推进。
放到这项研究上，就是先理解科学家解决了什么，再判断下一步需要什么人、什么工具，以及谁会真正用到它。一个有用的部件或方法，能否服务更多团队？怎样测试，达到什么条件才适合交付？由研究者创业推进，还是与企业合作更合适？
这些问题需要研究、工程和应用各方共同参与。iCANX的专业交流帮助大家理解贡献与任务，iSTEP则希望进一步为任务连接伙伴与验证条件。
读懂一篇论文，可以成为看见合作机会的起点。 2026年10月16日，周五20:00—21:30，iCANX“顶刊第一现场”第7期，我们一起听李一一讲清楚：这条原子补给线推进到了哪一步，又怎样支持未来的机器继续向前。
敬请关注本期直播。
信息来源
〔1〕Yiyi Li等：Science论文《Fast, continuous, and coherent atom reloading in a neutral-atom qubit array》，2026年9月17日；PubMed书目及摘要。
〔2〕Yiyi Li等：相关作者预印本文本，arXiv:2506.15633，装载、信息保持测试及后续整合部分。
〔3〕IBM Quantum Learning：《Your first quantum experiment》。
〔4〕IBM Quantum：《How to measure a molecule’s energy using a quantum computer》。
〔5〕Princeton Research Software Engineering Group：《FPGA Development for Quantum Instrumentation Control》，2026年5月8日。
〔6〕清华大学交叉信息研究院：彭湃公开报告摘要，2024年5月21日。
〔7〕中国工程物理研究院研究生院：张昊课题组研究介绍。
〔8〕中国科学技术大学：于勇教师主页研究介绍。
〔9〕北京大学：王国庆教师主页与研究介绍。
〔10〕同济大学：印真及研究团队公开介绍。
〔11〕普林斯顿大学电气与计算机工程系：《Award for Excellence honors advanced graduate research》，2026年1月21日，李一一研究介绍。
主题：&ldquo|信息|李一一|顶刊第一现场&rdquo