量子计算不仅需要执行预先设定的操作，还需要在计算过程中读取部分量子比特，并根据测量结果调整后续操作。这一过程分别称为中途测量和前馈，是量子纠错与自适应量子线路的重要基础。

对于中性原子阵列而言，难点在于既要快速、准确地获取测量结果，又要避免测量光和散射光破坏其余量子比特的相干性。此前，不少中性原子平台的测量周期超过1毫秒，如何兼顾测量速度与量子态保护，成为实时量子控制需要解决的问题。

2026年11月10日，加利福尼亚大学伯克利分校、哥伦比亚大学和劳伦斯伯克利国家实验室的合作团队在《Physical Review Letters》发表论文“Rapid Cavity-Based Midcircuit Measurement and Feedforward in a Neutral Atom Array”（中性原子阵列中基于光学腔的快速中途测量与前馈），展示了一种将光学腔增强读出、局域光移保护与实时前馈相结合的实验方案。论文第一作者为Tsai-Chen Lee，通讯作者为Dan M. Stamper-Kurn。

研究团队在五原子阵列中依次测量四个量子比特，同时将剩余数据量子比特的相干性损失控制在2%以内。在自适应线路演示中，单次测量与前馈周期为45微秒，其中探测窗口为40微秒，信息处理和控制编程耗时5微秒。依托这一能力，团队进一步实现了测量诱导相位的前馈修正、自适应量子态判别及条件量子态制备，为中性原子系统执行依赖测量结果的量子操作提供了实验依据。

光学腔读出与局域光移保护

研究首先利用光学腔提高原子荧光的收集效率。原子处于不同超精细态时，在探测光作用下呈现不同的荧光响应，由此可以判断量子比特状态。光学腔通过Purcell效应增强原子向腔模的辐射，使更多光子进入探测通道，从而缩短积累有效测量信号所需的时间。

提高读出速度的同时，还需要保护与同一光学腔耦合的其他原子。团队对这些原子施加局域光移，改变其激发态能级，使相关光学跃迁偏离探测光和腔模的共振频率，减弱它们与测量光场的相互作用。这样，待测原子可以保持对探测光的响应，其余原子则在原位受到保护，无需为每次测量将原子搬离读出区域。

在此基础上，自适应门控进一步减少了不必要的照射。系统以固定时间窗口限定最长探测时间，一旦探测到足以做出判定的光子数，便提前关闭探测光。对于较早获得有效信号的原子，这种方式能够减少后续散射和加热，使快速读出与降低测量扰动相互配合。

快速测量与数据量子比特保护

实验采用由光镊囚禁的五个铷-87原子，组成与同一光学腔耦合的一维阵列。对目标原子施加探测光后，其状态通过腔输出的荧光信号读出；光子探测结果被送入现场可编程门阵列（FPGA），用于执行状态判定、探测光门控和后续控制。团队在相应实验条件下实现了亚百分比的读出误差，验证了腔增强探测的快速测量能力。

图1 五量子比特原子阵列的光学腔读出装置与测量性能

除准确读取目标原子的状态外，中途测量还需要尽量保持其余数据量子比特的相干性。为检验这一点，团队在第五个原子的拉姆齐干涉序列中，插入对其余四个原子的依次测量，通过比较有、无这些测量时的干涉条纹对比度，评估数据量子比特的相干性变化。结果表明，在局域光移保护下，四次中途测量引起的相干性损失低于2%。

测量光场还可能引入可预测的相位偏移。为检验对这类扰动的修正能力，团队在较弱保护条件下记录腔内亮态信号的持续时间，据此估计数据量子比特积累的相位，并实时调整末次微波脉冲的相位，实现前馈补偿。局域光移保护用于抑制测量光场引起的扰动，前馈补偿用于修正与测量记录相关的相位误差，二者配合，可减少测量过程对数据量子比特状态的影响。其中，相位补偿仅能修正可估计的相位偏移，无法逆转自发散射导致的相干性损失。 

图2 中途测量中的相干性保护与相位前馈修正

量子态判别与条件态制备

在相位补偿之外，团队进一步通过量子态判别与条件态制备实验，验证测量驱动的自适应控制能力。

实验将三个原子制备为同一单量子比特态，该状态从三个非正交候选态中等概率选取。由于非正交态无法通过单次测量完全区分，团队采用序贯测量策略，利用前两个原子的测量记录判别初始态，并据此选择作用于第三个原子的微波操作，实现条件态制备。

实验中，自适应方案的量子态判别和条件态制备成功率分别为（81±2）%和（85±2）%，均优于固定测量方向的对照方案，验证了根据中途测量结果调整后续操作的有效性。

该实验实现了45微秒的测量与前馈周期，较通常超过1毫秒的自由空间方案缩短了一个数量级。更短的周期减少了测量与后续控制所需的等待时间，为降低等待期间的退相干影响、提高自适应线路的执行效率提供了条件。 

图3 自适应量子态判别与条件量子态制备

相关研究

光学腔辅助中途测量已有研究积累。2022年，Emma Deist、Yue-Hui Lu等人在《Physical Review Letters》报道了中性原子阵列中的腔辅助中途测量，在数十微秒内读取单原子状态，并评估了读出对另一原子的影响，为利用光学腔提高测量速度提供了实验基础。

在量子态保护方面，2023年T. M. Graham等人在《Physical Review X》利用受保护的超精细与塞曼子能级存储数据量子比特，在读取辅助原子时保留数据原子的量子信息，展示了单一原子种类处理器中的中途测量。2025年，Beili Hu等人在《Physical Review Letters》利用局域激发态斯塔克位移，实现十位点阵列的选择性腔读出，并在五比特原子寄存器中演示重复经典纠错。

这些研究分别推进了快速读出、数据量子比特保护和位点选择性控制。本次工作进一步将这些能力与实时前馈结合，在同一阵列中验证了测量期间的相干性保护，并完成依赖测量结果的自适应量子操作。

结语

本研究在保护未测量量子比特相干性的同时，实现了45微秒级的中途测量与实时前馈，并通过自适应线路验证了其控制能力。这一进展为缓解中性原子量子计算中的测量速度瓶颈提供了实验方案，也为执行依赖测量结果的量子操作奠定了基础。

后续需要进一步缩短探测与量子门操作的耗时，并将该方案与里德堡纠缠门结合。在更大阵列和多轮测量中，若能持续维持读出保真度、原子存活率及数据量子比特相干性，便有望将这一方案扩展到重复量子纠错和量子态稳定化，为中性原子处理器的实时监测与控制提供更完整的实验基础。