女同 调教 如何让量子计较愈加精确高效? 答: 把离子“囚禁”起来

转自：中国科协女同 调教

提到量子计较，咱们率先预料的等于大名鼎鼎的超导量子计较系统。然则，早在1995年，物理学家伊格纳西奥·西拉克（IgnacioCirac）和彼得·佐勒（PeterZoller）就提议了一种立异的模范，即诈欺健硕“囚禁”的离子来完了量子逻辑门的操作，进而构建量子计较系统，这被称为“离子阱量子计较”。

目下，离子阱量子计较与超导量子计较一齐，被觉得是有望完了委果实用化的量子计较的两种主流决策。

顾名想义，“离子阱量子计较”等于将离子健硕地“囚禁”在一个特定的势阱中，使其或者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身分，它们亦然相连“离子阱量子计较”责任旨趣的关节。

健硕“囚禁”在势阱中的离子线路图。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导电场。图片起头：作家画图

那么，科学家们为什么要聘请“囚禁”离子呢？离子阱量子计较系统又领有哪些非凡的上风，使其或者与超导量子计较系统比肩，成为完了量子计较的两大主流期间之一呢？

让咱们带着这些疑问，一齐深刻了解这个固然低调但实力超卓的离子阱量子计较系统吧！

小小的“体魄”，大大的才气

——离子量子比特

实质上，离子是带有电荷的原子，因此它们里面当然存在健硕的能级结构。诈欺这一特色，科学家们不错聘请离子里面的两个特定能级，将它们编码成一个性能健硕的二能级系统，也等于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景况象征为|1⟩态，而将能量较低的景况象征为|0⟩态。由于离子里面能级之间的跃迁谨守量子力学的概自便旨趣，单个离子的能量景况不错同期处于|1⟩态和|0⟩态的访佛景况，使其或者当作离子量子比特参与量子计较机的并走运算。

进一步来说，若是咱们能在离子阱系统中健硕“囚禁”N个离子，表面上就不错编码N个零丁的离子量子比特。在特定的激光光场和微波场的精确限度下，这些离子量子比特或者进行2的N次方的并行量子运算，展现出量子计较机纷乱的并行惩办才气。

含有18个171Yb+离子的离子链。图片起头：作家提供

在深刻探讨离子阱量子计较系统时，咱们不得不提到其朝着范围化和集成化所在发展的一个贫瘠里程碑——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（QuantumCharge-CoupledDevice）决策。

具体来说，离子阱量子计较芯片被蓄意成领有多个空间功能区域，这些区域通过调度复合电场来完了离子在不同功能区域之间的精确输运。这些区域分歧承担着量子比特的存储、逻辑门操作、量子态测量等关节任务。通过这些操作的有机组合，QCCD决策或者确保每次量子操作的保真度不会因为总离子数的增多而裁减，这是完了大范围通用量子计较的关节所在。

基于离子阱量子计较芯片的离子输运决策（QCCD决策）的线路图。图片起头：参考文件[2]

恰是凭借着优异的性能发扬，离子阱量子计较芯片的征询受到了好意思国国度核安全局下属的桑迪亚（Sandia）国度现实室的抓续干与。早在2010年，桑迪亚国度现实室制备和测试了第一款离子阱量子计较芯片，况且奏效完了了40Ca+的“囚禁”；随后在2016年，桑迪亚国度现实室研制出新一代的离子阱量子计较芯片“HOA-2.0”，不错健硕“囚禁”离子高出100小时；在2020年，该现实室推出了电极结构愈加复杂的离子阱量子计较芯片“PhoenixandPeregrine”，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好多独到的性能上风，被觉得是量子计较前沿征询中的“得分王”，这表目下以下三个方面：

1.较低的额外率

离子被健硕“囚禁”在超高真空的腔体内，或者有用地圮绝外界环境的侵犯，况且能在激光场的运转下完了特定的“量子操控”。目下，离子阱量子计较系统分歧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%）的寰宇记录；

2.高度的互联性

收成于“囚禁”离子间的库伦长程相互作用，归并离子链中的不同离子在激光场的运转下，或者完了相互之间全聚积的信回绝互，从而极地面进步了并行算力；

3.超长的退干系时刻

接受特定的动态解耦决策和协同冷却期间，离子量子比特的量子特色或者有用地与环境解耦，目下也曾创下最长的单量子比特干系时刻（5500秒）。

2023年12月，内行最大的离子阱量子计较公司(Quantinuum)一样接受上述QCCD决策，推出了具备32个离子量子比特的“H2”离子阱芯片，况且完了了平均保真度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，眩惑了科学界的粗俗护理。

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。图片起头：Quantinuum

相较于专注单一主见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注释量子算力的合座进步。

时时而言，量子计较机的合座算力需要从量子比特数量、量子比特的聚积性以及量子纠缠门的保真度这三个方面来详细接头，而“量子体积（QV）”等于详细这三个方面的关节主见。量子体积越大，量子计较机就具有更纷乱的合座算力，目下离子阱量子计较体系也曾达到2的20次方，成为目下寰宇上量子体积最大的量子计较系统。

Quantinuum的量子体积（QV）达到了新的寰宇记录（2的20次方）。图片起头：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征询团队就蓄意出洋内第一款离子阱芯片，完了了干系专科东谈主才的培养和储备；在2016年，该征询团队在早期的离子阱芯片中，奏效完了了38个一维40Ca+离子链的“囚禁”。

在第一代离子阱芯片的征询基础上，该征询团队接踵研制了第二代和第三代离子阱芯片，况且完了了20个离子的量子干系操控，同期演示了“量子-经典”混划算法。

国防科技大学研制奏效的三代离子阱芯片的线路图。图片起头：国防科技大学离子阱征询团队

除此除外，我国在离子阱芯片的征询团队还包括清华大学、中国科学期间大学以及南边科技大学等单元，目下我国在离子阱芯片的合座征询水平处于外洋前哨，但是与外洋顶尖征询团队比拟仍然存在5-8年的征询代差。

量子计较的改日瞻望

量子计较的发展固然至极赶快，但仍然处于起步阶段，目下料定哪种期间阶梯会胜出还为时过早。目下科学界主流的不雅点觉得，要完了委果实用化的量子计较机，需要按照“三步走”的发展政策，即：考证量子计较的优厚性、在噪声环境下的中等范围量子计较（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”政策中的第一步——考证量子计较的优厚性，况且也曾在“量子纠错”边界迈出了坚实的一步，或者沿着“三步走”政策不时稳步前行。

在可料想的将来，咱们在完成“三步走”政策之后，量子计较机将不单是不错用于特定算法问题的求解，还将为新质坐褥力提供纷乱的算力支抓，完了计较才气的向上式发展。

参考文件

[1]CiracJI，ZollerP.Quantumcomputationswithcoldtrappedions[J].Physicalreviewletters，1995，74(20):4091.

[2]KielpinskiD，MonroeC，WinelandDJ.Architectureforalarge-scaleion-trapquantumcomputer[J].Nature，2002，417(6890):709-711.

[3]Quantinuum.H-seriesprogressquantumvolumeimprovementtrajectory[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]MosesSA，BaldwinCH，AllmanMS，etal.Arace-tracktrapped-ionquantumprocessor[J].PhysicalReviewX，2023，13(4):041052.

接洽制作

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

责编丨董娜娜女同 调教