1000原子量子计算系统！这是复旦大学物理学系中性原子量子计算团队取得的最新突破。从搭建真空系统到实现百量子比特，他们仅用半年时间，如今，再次以惊人速度实现跨越。
这是一支平均年龄约30岁的多学科交叉青年团队，怀揣“打造通用容错量子计算机”的共同理想，过去一年创造了多PI自由组合的有组织科研新范式，实现强强联合，不断跑出复旦量子计算“加速度”——
团队成功研制出中性原子量子计算系统，制定高效并行量子计算指令集；开发AI+量子调控方案，实现了大规模原子系统的自动校准、优化，为量子计算增效提速；自研物镜的性能也已支撑万比特级中性原子量子计算；近期在量子优化算法上又取得新突破，大幅提升NP问题的量子计算效率……
突破NP问题：
量子计算的“关键一跃”
量子计算为何是“计算革命”的代名词？根本原因在于它的并行能力。与传统计算机以二进制比特为基本运算单位不同，量子计算机的量子比特通过“叠加态”，能够同时表达多种状态，实现指数级算力提升，为经典计算机无法解决的复杂问题提供新方案。
P=NP？这是《科学》杂志公布的125个最重要的科学问题之一，如今被量子计算撕开一道裂口。开发高效的NP问题量子求解器，关系到人工智能训练、组合优化、交通管理、密钥安全等领域，也影响着现代密码学的安全评估。经典计算机需要亿万次运算的NP问题，在量子计算机上可压缩至十万次以内。这“降维打击”的关键在于“量子黑盒（Oracle）”的构建。
过去五年，复旦大学物理学系李晓鹏团队一直在推进中性原子NP问题量子求解器的开发。自2020年起，团队提出创新的量子编码方案，他们从量子场论中得到启发，发明了量子线连接方案，给出了利用原子求解一般NP计算问题的方案（PRX Quantum 1, 020311, 2020）。2023年，通过原子-光腔耦合技术，再将编码复杂度降至理论极限，原子求解多个大规模NP计算问题首次具备实验可行性（PRL 131, 103601, 2023）。
近期，团队又取得了全新突破——实现了原子的超低丢失率（1%以下）的并行移动，并基于此制定了量子计算并行指令集。利用这种并行指令集，他们成功构建了高度精简的量子黑盒，其线路深度从超导量子比特上的降低至，实现指数级效率提升（arXiv: 2507.22686 （2025））。
研究说明中性原子系统在展现NP问题量子加速方面优势明显。更重要的是，这一创新使得暴力破解密钥安全性的复杂度从经典计算机上的O（2n）降至O（poly log n 2n/2）—128位安全密钥的强度一举降至64位水平，显示出中性原子体系在NP问题求解中的巨大潜力。
从“概念”到“实机”，
青年交叉团队共筑量子梦想
在全年恒温的超净间里，实验台被帘幕环绕，光学镜片按照精确光路排列，数千道微光闪烁的“光镊”捕捉着每一颗原子的跳动。科研人员屏息凝视黑暗中的屏幕，将原子矩阵的每一次运动都控制得分毫不差——这，就是复旦量子计算机研发的一线。
自然粒子可根据自旋性质分为两类：具有半整数自旋的费米子与具有整数自旋的玻色子。复旦首个超冷原子实验基地由玻色子与费米子实验室共同组成，其中多种多样的可调控自由度为中性原子量子信息处理提供了丰富的试验平台。
早在2016年，李晓鹏团队便前瞻布局量子人工智能研究方向，与合作者共同建立了神经网络连接度和量子纠缠之间的深刻联系，建立了人工智能模型和量子模型的严格对应，将人工智能方法应用于量子算法优化，相关成果近年来一直都是高被引论文。
理论要领先，更要实验落地。2022年，李晓鹏决定更进一步，搭建量子计算的实验系统——也就是要把量子计算机真正做出来。他们前期积累的人工智能方法成功应用于实验中，实现原子阵列的高效装载和重排，单原子丢失率控制在1%以下，实现了20nK温度以下的超低温冷原子样品制备。
如今，走进复旦江湾校区物理楼，你常常会见到这样一支特别的学科交叉团队，正在集中研讨量子计算机的研制进度：40余名大多为“90后”的研究者，来自物理、数学、信息科学等学科，在“85后”李晓鹏带领下践行“多PI自由组合”科研范式。
他们的凝聚力不来自外部，而是源于同一个科学目标——让量子计算实现从“概念”到“实机”的跨越。团队成员包括冯磊、李颖洲、吴宜家、石磊教授等，共同攻关量子计算理论、实验、应用落地中的前沿难题。
“量子计算需要理论和实验紧密耦合。得益于我们在理论方面的多年积累，还有复旦物理学系在光学领域的深厚技术积淀，实验室的建设过程比较顺利。”李晓鹏坦言，这段自主组织团队、建设实验室的经历充满挑战，团队成长很快。
数学科学学院教授李颖洲在团队中主要承担从中性原子指令到量子算法之间桥梁的构建工作。在他看来，团队合作的关键不仅仅在于共同的科研兴趣，更在于科学合理的任务划分与有效衔接。
“虽然实现目标时，每个任务存在先后顺序，但绝不能等前一个环节完全结束才启动下一个。合理拆解任务、精准定义各环节的输入与输出，是高效协作的基石。只有这样，大家才能并肩推进，各自发挥所长，最终将所有成果精准拼合，形成完整突破。”李颖洲解释道。
引领下一代科技浪潮，
书写量子科技“复旦答卷”
量子科技，已成为衡量国家科技创新实力的重要标志。眼下，全球范围内，量子计算正经历基础研究和产业应用的“双线并进”。美国通过出台专项战略规划、加大研发投入等方式，持续巩固其领先地位。
不久前，上海也将量子科技纳入全市未来产业发展布局。复旦中性原子量子计算团队就是重点支持的一支量子计算研发力量，受到了上海市科委战略前沿专项资助。
量子计算为何备受期待？据预测，2035年全球量子计算市场规模将达到200亿美元以上，涵盖金融、医药、气象、能源等众多领域。在金融业，量子计算能对复杂序列预测进行更有效的建模分析，在未来助力风险控制与投资决策；在医药研发、新材料发现中，数百逻辑量子比特的量子计算机能够比经典计算机更有效地模拟分子与蛋白质的相互作用，大大缩短新药开发周期……正因此，李晓鹏团队的合作者不仅有学术团队，还有金融机构、气象局等，加速技术“从实验室到产业界”的落地转化。同时，李晓鹏强调：“量子计算赋能各垂直领域，仍然需要量子硬件、算法性能的进一步提升。容错量子计算机的研制成功才能为应用落地打开更广阔的局面。”
“人工智能现阶段主要依赖传统计算机，量子计算机有望进一步加速其发展，从本质上提升AI性能，比如让准确率更高、泛化和表达能力更强，尤其是在某些特定场景中。例如处理加密数据时，量子AI已被证明明显优于经典AI。”李晓鹏深有感触，随着模型越做越大，AI遭遇的瓶颈很多是物理问题，量子人工智能的未来，更需物理学家和计算机科学家携手并进。
“当今物理学研究已步入新纪元，量子计算机正引领科技革命的浪潮。”李晓鹏说，“身为复旦的青年科学家，我们没有理由置身事外，更应以引领行业为己任，为国家科技自立、为人类未来发展贡献力量。”
他坚信，未来5至10年，量子技术将迎来关键技术突破，而原子量子计算极有可能是正确的路线。复旦团队正加速探索“软硬协同”，向具有广泛实用价值的量子计算机发起冲刺，书写属于中国的量子时代“复旦答卷”。
本项目得到上海市科委、上海期智研究院、合肥国家实验室、应用表面物理全国重点实验室以及科技部、国家自然科学基金委支持。
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