1000原子量子計算系統！這是復旦大學物理學系中性原子量子計算團隊取得的最新突破。從搭建真空系統到實現百量子比特，他們僅用半年時間，如今，再次以驚人速度實現跨越。
這是一支平均年齡約30歲的多學科交叉青年團隊，懷揣“打造通用容錯量子計算機”的共同理想，過去一年創造了多PI自由組合的有組織科研新范式，實現強強聯合，不斷跑出復旦量子計算“加速度”——
團隊成功研制出中性原子量子計算系統，制定高效并行量子計算指令集；開發AI+量子調控方案，實現了大規模原子系統的自動校準、優化，為量子計算增效提速；自研物鏡的性能也已支撐萬比特級中性原子量子計算；近期在量子優化算法上又取得新突破，大幅提升NP問題的量子計算效率……
突破NP問題：
量子計算的“關鍵一躍”
量子計算為何是“計算革命”的代名詞？根本原因在于它的并行能力。與傳統計算機以二進制比特為基本運算單位不同，量子計算機的量子比特通過“疊加態”，能夠同時表達多種狀態，實現指數級算力提升，為經典計算機無法解決的復雜問題提供新方案。
P=NP？這是《科學》雜志公布的125個最重要的科學問題之一，如今被量子計算撕開一道裂口。開發高效的NP問題量子求解器，關系到人工智能訓練、組合優化、交通管理、密鑰安全等領域，也影響著現代密碼學的安全評估。經典計算機需要億萬次運算的NP問題，在量子計算機上可壓縮至十萬次以內。這“降維打擊”的關鍵在于“量子黑盒（Oracle）”的構建。
過去五年，復旦大學物理學系李曉鵬團隊一直在推進中性原子NP問題量子求解器的開發。自2020年起，團隊提出創新的量子編碼方案，他們從量子場論中得到啟發，發明了量子線連接方案，給出了利用原子求解一般NP計算問題的方案（PRX Quantum 1, 020311, 2020）。2023年，通過原子-光腔耦合技術，再將編碼復雜度降至理論極限，原子求解多個大規模NP計算問題首次具備實驗可行性（PRL 131, 103601, 2023）。
近期，團隊又取得了全新突破——實現了原子的超低丟失率（1%以下）的并行移動，并基于此制定了量子計算并行指令集。利用這種并行指令集，他們成功構建了高度精簡的量子黑盒，其線路深度從超導量子比特上的降低至，實現指數級效率提升（arXiv: 2507.22686 （2025））。
研究說明中性原子系統在展現NP問題量子加速方面優勢明顯。更重要的是，這一創新使得暴力破解密鑰安全性的復雜度從經典計算機上的O（2n）降至O（poly log n 2n/2）—128位安全密鑰的強度一舉降至64位水平，顯示出中性原子體系在NP問題求解中的巨大潛力。
從“概念”到“實機”，
青年交叉團隊共筑量子夢想
在全年恒溫的超凈間里，實驗臺被簾幕環繞，光學鏡片按照精確光路排列，數千道微光閃爍的“光鑷”捕捉著每一顆原子的跳動。科研人員屏息凝視黑暗中的屏幕，將原子矩陣的每一次運動都控制得分毫不差——這，就是復旦量子計算機研發的一線。
自然粒子可根據自旋性質分為兩類：具有半整數自旋的費米子與具有整數自旋的玻色子。復旦首個超冷原子實驗基地由玻色子與費米子實驗室共同組成，其中多種多樣的可調控自由度為中性原子量子信息處理提供了豐富的試驗平臺。
早在2016年，李曉鵬團隊便前瞻布局量子人工智能研究方向，與合作者共同建立了神經網絡連接度和量子糾纏之間的深刻聯系，建立了人工智能模型和量子模型的嚴格對應，將人工智能方法應用于量子算法優化，相關成果近年來一直都是高被引論文。
理論要領先，更要實驗落地。2022年，李曉鵬決定更進一步，搭建量子計算的實驗系統——也就是要把量子計算機真正做出來。他們前期積累的人工智能方法成功應用于實驗中，實現原子陣列的高效裝載和重排，單原子丟失率控制在1%以下，實現了20nK溫度以下的超低溫冷原子樣品制備。
如今，走進復旦江灣校區物理樓，你常常會見到這樣一支特別的學科交叉團隊，正在集中研討量子計算機的研制進度：40余名大多為“90后”的研究者，來自物理、數學、信息科學等學科，在“85后”李曉鵬帶領下踐行“多PI自由組合”科研范式。
他們的凝聚力不來自外部，而是源于同一個科學目標——讓量子計算實現從“概念”到“實機”的跨越。團隊成員包括馮磊、李穎洲、吳宜家、石磊教授等，共同攻關量子計算理論、實驗、應用落地中的前沿難題。
“量子計算需要理論和實驗緊密耦合。得益于我們在理論方面的多年積累，還有復旦物理學系在光學領域的深厚技術積淀，實驗室的建設過程比較順利。”李曉鵬坦言，這段自主組織團隊、建設實驗室的經歷充滿挑戰，團隊成長很快。
數學科學學院教授李穎洲在團隊中主要承擔從中性原子指令到量子算法之間橋梁的構建工作。在他看來，團隊合作的關鍵不僅僅在于共同的科研興趣，更在于科學合理的任務劃分與有效銜接。
“雖然實現目標時，每個任務存在先后順序，但絕不能等前一個環節完全結束才啟動下一個。合理拆解任務、精準定義各環節的輸入與輸出，是高效協作的基石。只有這樣，大家才能并肩推進，各自發揮所長，最終將所有成果精準拼合，形成完整突破。”李穎洲解釋道。
引領下一代科技浪潮，
書寫量子科技“復旦答卷”
量子科技，已成為衡量國家科技創新實力的重要標志。眼下，全球范圍內，量子計算正經歷基礎研究和產業應用的“雙線并進”。美國通過出臺專項戰略規劃、加大研發投入等方式，持續鞏固其領先地位。
不久前，上海也將量子科技納入全市未來產業發展布局。復旦中性原子量子計算團隊就是重點支持的一支量子計算研發力量，受到了上海市科委戰略前沿專項資助。
量子計算為何備受期待？據預測，2035年全球量子計算市場規模將達到200億美元以上，涵蓋金融、醫藥、氣象、能源等眾多領域。在金融業，量子計算能對復雜序列預測進行更有效的建模分析，在未來助力風險控制與投資決策；在醫藥研發、新材料發現中，數百邏輯量子比特的量子計算機能夠比經典計算機更有效地模擬分子與蛋白質的相互作用，大大縮短新藥開發周期……正因此，李曉鵬團隊的合作者不僅有學術團隊，還有金融機構、氣象局等，加速技術“從實驗室到產業界”的落地轉化。同時，李曉鵬強調：“量子計算賦能各垂直領域，仍然需要量子硬件、算法性能的進一步提升。容錯量子計算機的研制成功才能為應用落地打開更廣闊的局面。”
“人工智能現階段主要依賴傳統計算機，量子計算機有望進一步加速其發展，從本質上提升AI性能，比如讓準確率更高、泛化和表達能力更強，尤其是在某些特定場景中。例如處理加密數據時，量子AI已被證明明顯優于經典AI。”李曉鵬深有感觸，隨著模型越做越大，AI遭遇的瓶頸很多是物理問題，量子人工智能的未來，更需物理學家和計算機科學家攜手并進。
“當今物理學研究已步入新紀元，量子計算機正引領科技革命的浪潮。”李曉鵬說，“身為復旦的青年科學家，我們沒有理由置身事外，更應以引領行業為己任，為國家科技自立、為人類未來發展貢獻力量。”
他堅信，未來5至10年，量子技術將迎來關鍵技術突破，而原子量子計算極有可能是正確的路線。復旦團隊正加速探索“軟硬協同”，向具有廣泛實用價值的量子計算機發起沖刺，書寫屬于中國的量子時代“復旦答卷”。
本項目得到上海市科委、上海期智研究院、合肥國家實驗室、應用表面物理全國重點實驗室以及科技部、國家自然科學基金委支持。
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