近日，中性原子量子计算初创公司纳开启元（北京）量子科技有限公司（以下简称“纳开量子”）完成通用量子计算机“启元一号”整机搭建，并实现4000量子比特的无缺陷阵列及连续装载技术攻关。这是国内中性原子路线首次有团队将这两项指标做到同一台整机上。
图：启元一号4096（64×64）大规模无缺陷阵列演示
纳开量子技术人员介绍，“启元一号”整机仅光学元件就有853件，包括反射镜架、波片、AOM、PBS架、光屏蔽器等。系统采用移动光晶格传送带将冷原子库与比特操控区相连接，原子在晶格输运区经由光镊俘获后，需在动态光镊与静态光镊、准备区与存储区之间完成多轮交接，才能完成装载与重排。
那么，为什么是4000量子比特？团队给出的回答很直接：这是目标与工程条件共同决定的。
在中性原子量子计算中，单个原子通常由高度聚焦的激光形成的光镊捕获并操控。但初始装载存在随机性，得到的阵列往往有空位，因此需要移动原子，把目标位置补齐，这个过程就是重排。而“无缺陷”则指目标阵列的占据情况，并不意味着量子操作没有误差。
当规模扩大到数千个原子，光镊数量增加，所需激光功率也会随之增长。对于60×60=3600的阵列规模，在单光镊3毫瓦条件下总功率已接近15瓦，考虑到光学元器件的衍射效率和通过损耗，这时的总功率已经接近现有光路的可用输出上限。这意味着，继续增加原子数量，首先要面对的就是光功率预算。
另一个约束是规模与相干性的平衡。纳开量子采用的方案需要将多轮装载结果汇入同一阵列：3000比特规模就需对应约6轮装载，每轮要形成约500比特的无缺陷阵列。扩容可以增加每轮装入的原子数量，也可以增加装载轮次，但两种选择都有代价——前者要求更大范围内的光镊保持均匀，并能够准确移动；后者则意味着先装入的原子要等待更长时间，对存储和相干保持提出更高要求。
此外，还有声光偏转器（AOD）的视场问题。AOD窗口大小直接决定可容纳的比特规模，AOD窗口越大，最终能覆盖的阵列范围越大。但准备区、存储区都要占用位置，原子移动也需要留出通道。在原子间距和光路条件确定后，能够容纳多大阵列，就有了现实边界。
因此，综合上述现实条件，以及后续拉曼光、里德堡光的功率需求，一开始团队觉得3000比特是当前比较合适的工程目标，最后超额完成4000比特。
据了解，中性原子系统面临的挑战，是原子丢失。传统中性原子系统每完成一次计算，都需要重新冷却和装载原子，因此系统运行时间往往只有几百毫秒。连续装载，则是在系统工作过程中持续提供新原子，且尽可能减少补充过程对已有量子比特的干扰，从而延长连续运行时间。
相比国外团队主要采用双晶格，纳开量子基于架构创新，采用单晶格即可实现连续装载，同时可实现双比特门。据悉，连续装载还有一个更远的潜在场景：若未来中性原子与超导、离子阱等其它路线形成异构，“启元一号”整机可以作为量子存储器，承接其它路线的运算结果并实现长期存储。
据了解，本次公开的“启元一号”面向通用量子计算，解决的是密码破解、金融组合优化这类数学和算法问题。纳开量子同时开发面向量子模拟计算的“纳开”系列，即专用量子计算机，解决的是材料研发、生物制药这类本质为量子系统的场景。截至当前，“纳开一号”量子模拟整机已完成批量交付，获得千万级商业订单；“纳开二号”量子模拟商用机预计2027年推出，将实现开机即用。
从技术基础来看，纳开量子核心团队来自北京大学，是国内最早开始进行超冷原子研究的团队之一。将原子冷却到足够低的温度后，结合光晶格，可以研究受控的量子多体系统；结合光镊及相关操控手段，则可以继续发展面向通用计算的原子阵列平台。原子制备、激光控制、真空和测控系统等基础能力，在两条产品线上可以复用。
图：纳开量子核心团队
纳开量子创始人兼CEO樊耀塬表示，团队一方面会继续打磨门保真度、全局独立寻址等硬指标，另一方面会投入整机互联等前沿探索——在他看来，当中性原子阵列规模继续扩大，“单机之外怎么连起来”将成为下一个必须回答的问题。同时，量子模拟产品线会加速与产业方合作，推动商业化落地。
据悉，“启元一号”计划于2026年第四季度正式发布，届时将披露更多实测指标与运行细节。 
