彩娱乐|中国|股份有限公司 怎么让量子计较愈加精确高效？答：把离子“囚禁”起来

提到量子计较，咱们最初预见的即是大名鼎鼎的超导量子计较系统。关联词，早在 1995 年，物理学家伊格纳西奥·西拉克（Ignacio Cirac）和彼得·佐勒（Peter Zoller）就暴戾了一种立异的关节，即诈欺雄厚“囚禁”的离子来齐备量子逻辑门的操作，进而构建量子计较系统，这被称为“离子阱量子计较”。

面前，离子阱量子计较与超导量子计较总共，被以为是有望齐备真实实用化的量子计较的两种主流决策。

顾名念念义，“离子阱量子计较”即是将离子雄厚地“囚禁”在一个特定的势阱中，使其概况编码量子比特并参与量子计较。因此，“离子”和“势阱”是该系统最中枢的两个成分，它们亦然相接“离子阱量子计较”责任旨趣的缺点。

雄厚“囚禁”在势阱中的离子默示图。其中，每个白色圆点代表单个离子，轴向的黄色箭头代表直流电场，交变的绿色箭头代表疏浚电场。图片开端：作家绘画

那么，科学家们为什么要选拔“囚禁”离子呢？离子阱量子计较系统又领有哪些零散的上风，使其概况与超导量子计较系统比肩，成为齐备量子计较的两大主流技艺之一呢？

让咱们带着这些疑问，总共真切了解这个诚然低调但实力不凡的离子阱量子计较系统吧！

小小的“体魄”，大大的才能

——离子量子比特

本体上，离子是带有电荷的原子，因此它们里面当然存在雄厚的能级结构。诈欺这一特质，科学家们不错选拔离子里面的两个特定能级，将它们编码成一个性能雄厚的二能级系统，也即是咱们所说的量子比特。

关于单个“囚禁”离子中的二能级系统，咱们不错将能量较高的气象象征为 |1⟩ 态，而将能量较低的气象象征为 |0⟩ 态。由于离子里面能级之间的跃迁受命量子力学的概简易旨趣，单个离子的能量气象不错同期处于 |1⟩ 态和 |0⟩ 态的重叠气象，使其概况当作离子量子比特参与量子计较机的并交运算。

进一步来说，若是咱们能在离子阱系统中雄厚“囚禁” N 个离子，表面上就不错编码 N 个颓落的离子量子比特。在特定的激光光场和微波场的精确放部下，这些离子量子比特概况进行 2 的 N 次方的并行量子运算，展现出量子计较机强大的并行措置才能。

含有18个171Yb+离子的离子链。图片开端：作家提供

在真切探讨离子阱量子计较系统时，咱们不得不提到其朝着规模化和集成化见地发展的一个转折里程碑——基于离子阱量子计较芯片的离子输运决策，这一决策也被称作 QCCD（Quantum Charge-Coupled Device）决策。

具体来说，离子阱量子计较芯片被设想成领有多个空间功能区域，这些区域通过调遣复合电场来齐备离子在不同功能区域之间的精确输运。这些区域别离承担着量子比特的存储、逻辑门操作、量子态测量等缺点任务。通过这些操作的有机组合，QCCD 决策概况确保每次量子操作的保真度不会因为总离子数的加多而裁减，这是齐备大规模通用量子计较的缺点处所。

基于离子阱量子计较芯片的离子输运决策（QCCD决策）的默示图。

图片开端：参考文件[2]

恰是凭借着优异的性能进展，离子阱量子计较芯片的蓄意受到了好意思国国度核安全局下属的桑迪亚（Sandia）国度施行室的捏续参加。早在 2010 年，桑迪亚国度施行室制备和测试了第一款离子阱量子计较芯片，况且到手齐备了 40Ca+ 的“囚禁”；随后在 2016 年，桑迪亚国度施行室研制出新一代的离子阱量子计较芯片“HOA-2.0”，不错雄厚“囚禁”离子越过 100 小时；在 2020 年，该施行室推出了电极结构愈加复杂的离子阱量子计较芯片“Phoenix and Peregrine”，具备更优异的离子输运性能。

量子计较中的“得分王”

——离子阱量子计较

相较于冲锋在前的超导量子计较系统，离子阱量子计较系统具有很多独到的性能上风，被以为是量子计较前沿蓄意中的“得分王”，这表当今以下三个方面：

1

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较低的诞妄率

离子被雄厚“囚禁”在超高真空的腔体内，概况有用地远隔外界环境的侵犯，况且能在激光场的初始下齐备特定的“量子操控”。面前，离子阱量子计较系统别离创下最高保真度的单量子比特门（99.9999%）和最高保真度的双量子比特门（99.94%）的天下记录；

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高度的互联性

收成于“囚禁”离子间的库伦长程互相作用，团结离子链中的不同离子在激光场的初始下，概况齐备相互之间全麇集的信断交互，从而极地面栽培了并行算力；

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超长的退辩论时辰

采选特定的动态解耦决策和协同冷却技艺，离子量子比特的量子特质概况有用地与环境解耦，面前也曾创下最长的单量子比特辩论时辰（5500秒）。

2023 年 12 月，大家最大的离子阱量子计较公司 (Quantinuum)相似采选上述 QCCD 决策，推出了具备 32 个离子量子比特的 “H2” 离子阱芯片，况且齐备了平均保真度 99.997% 的单比特量子逻辑门，以及全连通保真度为 99.8% 的双比特量子逻辑门，眩惑了科学界的闲居关切。

2024 年 6 月，该公司推出了全新升级的离子阱量子计较芯片 “H2-1”，况且拓展至 56 个离子量子比特，其双量子比特门保真度更是高达 99.914%，成为首台达到“三个九”临界值的商用量子计较机。

离子阱量子计较公司Quantinuum发布的离子阱芯片。图片开端：Quantinuum

相较于专注单一目的的超导量子计较系统，当作“得分王”的离子阱量子计较系统则愈加留意量子算力的举座栽培。

频繁而言，量子计较机的举座算力需要从量子比特数量、量子比特的麇集性以及量子纠缠门的保真度这三个方面来轮廓议论，而“量子体积（QV）”即是轮廓这三个方面的缺点目的。量子体积越大，量子计较机就具有更强大的举座算力，面前离子阱量子计较体系也曾达到 2 的 20 次方，成为面前天下上量子体积最大的量子计较系统。

Quantinuum的量子体积（QV）达到了新的天下记载（2的20次方）。

图片开端：Quantinuum，参考文件[3-4]

离子阱芯片的国内发展

早在 2014 年，来自国防科技大学的蓄意团队就设想出洋内第一款离子阱芯片，齐备了有关专科东谈主才的培养和储备；在 2016 年，该蓄意团队在早期的离子阱芯片中，到手齐备了 38 个一维 40Ca+离子链的“囚禁”。

在第一代离子阱芯片的蓄意基础上，该蓄意团队接踵研制了第二代和第三代离子阱芯片，况且齐备了 20 个离子的量子辩论操控，同期演示了“量子-经典”混划算法。

国防科技大学研制到手的三代离子阱芯片的默示图。

图片开端：国防科技大学离子阱蓄意团队

除此以外，我国在离子阱芯片的蓄意团队还包括清华大学、中国科学技艺大学以及南边科技大学等单元，面前我国在离子阱芯片的举座蓄意水平处于国外前方，但是与国外顶尖蓄意团队比较仍然存在 5-8 年的蓄意代差。

量子计较的未来瞻望

量子计较的发展诚然很是速即，但仍然处于起步阶段，当今料定哪种技艺蹊径会胜出还为时过早。面前科学界主流的不雅点以为，要齐备真实实用化的量子计较机，需要按照“三步走”的发展策略，即：考证量子计较的优胜性、在噪声环境下的中等规模量子计较（NISQ），以及不错通用化的量子计较。

现时，东谈主类也曾完成“三步走”策略中的第一步——考证量子计较的优胜性，况且也曾在“量子纠错”规模迈出了坚实的一步，概况沿着“三步走”策略连续稳步前行。

在可意料的将来，咱们在完成“三步走”策略之后，量子计较机将不单是不错用于特定算法问题的求解，还将为新质坐蓐力提供强大的算力复古，齐备计较才能的越过式发展。

参考文件

[1]Cirac J I, Zoller P. Quantum computations with cold trapped ions[J]. Physical review letters, 1995, 74(20): 4091.

[2]Kielpinski D, Monroe C, Wineland D J. Architecture for a large-scale ion-trap quantum computer[J]. Nature, 2002, 417(6890): 709-711.

[3]Quantinuum. H-series progress quantum volume improvement trajectory[EB/OL]. [2024-04-16].https://www.quantinuum.com/news/quantinuum-extends-its-significant-lead-in-quantum-computing-achieving-historic-milestones-for-hardware-fidelity-and-quantum-volume.

[4]Moses S A, Baldwin C H, Allman M S, et al. A race-track trapped-ion quantum processor[J]. Physical Review X, 2023, 13(4): 041052.

运筹帷幄制作

出品丨科普中国

作家丨栾春阳 国防科技大学理学院，吴伟 国防科技大学理学院，王雨桐 清华大学物理学博士

监制丨中国科普博览

责编丨董娜娜

审校丨徐来 林林