怎样让量子盘算愈加精准高效？答：把离子“软

提到量子盘算，咱们起首想到的就是赫赫有名的超导量子盘算体系。但是，早在 1995 年，物理学家伊格纳西奥·西拉克（Ignacio Cirac）跟彼得·佐勒（Peter Zoller）就提出了一种翻新的方式，即应用稳固“软禁”的离子来实现量子逻辑门的操纵，进而构建量子盘算体系，这被称为“离子阱量子盘算”。现在，离子阱量子盘算与超导量子盘算一同，被以为是无望实现真正适用化的量子盘算的两种主流计划。望文生义，“离子阱量子盘算”就是将离子稳固地“软禁”在一个特定的势阱中，使其可能编码量子比特并参加量子盘算。因而，“离子”跟“势阱”是该体系最中心的两个因素，它们也是懂得“离子阱量子盘算”任务道理的要害。稳固“软禁”在势阱中的离子表示图。此中，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交换电场。图片起源：作者绘制那么，迷信家们为什么要抉择“软禁”离子呢？离子阱量子盘算体系又领有哪些奇特的上风，使其可能与超导量子盘算体系并列，成为实现量子盘算的两年夜主流技巧之一呢？让咱们带着这些疑难，一同深刻懂得这个固然低调但气力不凡的离子阱量子盘算体系吧！小小的“身材”，年夜年夜的才能——离子量子比特现实上，离子是带有电荷的原子，因而它们外部天然存在稳固的能级构造。应用这一特征，迷信家们能够抉择离子外部的两个特定能级，将它们编码成一特性能稳固的二能级体系，也就是咱们所说的量子比特。对单个“软禁”离子中的二能级体系，咱们能够将能量较高的状况标志为 |1⟩ 态，而将能量较低的状况标志为 |0⟩ 态。因为离子外部能级之间的跃迁遵守量子力学的概任性道理，单个离子的能量状况能够同时处于 |1⟩ 态跟 |0⟩ 态的叠加状况，使其可能作为离子量子比特参加量子盘算机的并交运算。进一步来说，假如咱们能在离子阱体系中稳固“软禁” N 个离子，实践上就能够编码 N 个自力的离子量子比特。在特定的激光光场跟微波场的准确把持下，这些离子量子比特可能停止 2 的 N 次方的并行量子运算，展示出量子盘算机强盛的并行处置才能。 开展全文 含有18个171Yb+离子的离子链。图片起源：作者供给 在深刻探究离子阱量子盘算体系时，咱们不得不提到其朝着范围化跟集成化偏向开展的一个主要里程碑——基于离子阱量子盘算芯片的离子输运计划，这一计划也被称作 QCCD（Quantum Charge-Coupled Device）计划。 详细来说，离子阱量子盘算芯片被计划成领有多个空间功效地区，这些地区经由过程调理复合电场来实现离子在差别功效地区之间的准确输运。这些地区分辨承当着量子比特的存储、逻辑门操纵、量子态丈量等要害义务。经由过程这些操纵的无机组合，QCCD 计划可能确保每次量子操纵的保真度不会由于总离子数的增添而下降，这是实现年夜范围通用量子盘算的要害地点。 基于离子阱量子盘算芯片的离子输运计划（QCCD计划）的表示图。 图片起源：参考文献[2] 恰是凭仗着优良的机能表示，离子阱量子盘算芯片的研讨遭到了美国国度核保险局上司的桑迪亚（Sandia）国度试验室的连续投入。早在 2010 年，桑迪亚国度试验室制备跟测试了第一款离子阱量子盘算芯片，而且胜利实现了 40Ca+ 的“软禁”；随后在 2016 年，桑迪亚国度试验室研制出新一代的离子阱量子盘算芯片“HOA-2.0”，能够稳固“软禁”离子超越 100 小时；在 2020 年，该试验室推出了电极构造愈加庞杂的离子阱量子盘算芯片“Phoenix and Peregrine”，具有更优良的离子输运机能。 量子盘算中的“得分王” ——离子阱量子盘算 相较于冲锋在前的超导量子盘算体系，离子阱量子盘算体系存在很多独占的机能上风，被以为是量子盘算前沿研讨中的“得分王”，这表示在以下三个方面： 1 较低的过错率 离子被稳固“软禁”在超高真空的腔体内，可能无效地隔断外界情况的烦扰，而且能在激光场的驱动下实现特定的“量子操控”。现在，离子阱量子盘算体系分辨创下最高保真度的单量子比特门（99.9999%）跟最高保真度的双量子比特门（99.94%）的天下记载； 2 高度的互联性 得益于“软禁”离子间的库伦长程彼此感化，统一离子链中的差别离子在激光场的驱动下，可能实现相互之间全衔接的信息交互，从而极年夜地晋升了并行算力； 3 超长的退相关时光 采取特定的静态解耦计划跟协同冷却技巧，离子量子比特的量子特征可能无效地与情况解耦，现在曾经创下最长的单量子比特相关时光（5500秒）。 2023 年 12 月，寰球最年夜的离子阱量子盘算公司 (Quantinuum)同样采取上述 QCCD 计划，推出了具有 32 个离子量子比特的 “H2” 离子阱芯片，而且实现了均匀保真度 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，吸引了迷信界的普遍存眷。 2024 年 6 月，该公司推出了全新进级的离子阱量子盘算芯片 “H2-1”，而且拓展至 56 个离子量子比特，其双量子比特门保真度更是高达 99.914%，成为首台到达“三个九”临界值的商用量子盘算机。 离子阱量子盘算公司Quantinuum宣布的离子阱芯片。图片起源：Quantinuum 相较于专一单一指标的超导量子盘算体系，作为“得分王”的离子阱量子盘算体系则愈加重视量子算力的团体晋升。 平日而言，量子盘算机的团体算力须要从量子比特数量、量子比特的衔接性以及量子胶葛门的保真度这三个方面来综合斟酌，而“量子体积（QV）”就是综合这三个方面的要害指标。量子体积越年夜，量子盘算机就存在更强盛的团体算力，现在离子阱量子盘算系统曾经到达 2 的 20 次方，成为现在天下上量子体积最年夜的量子盘算体系。 Quantinuum的量子体积（QV）到达了新的天下记录（2的20次方）。 图片起源：Quantinuum，参考文献[3-4] 离子阱芯片的海内开展 早在 2014 年，来自国防科技年夜学的研讨团队就计划出海内第一款离子阱芯片，实现了相干专业人才的培育跟贮备；在 2016 年，该研讨团队在晚期的离子阱芯片中，胜利实现了 38 个一维 40Ca+离子链的“软禁”。 在第一代离子阱芯片的研讨基本上，该研讨团队接踵研制了第二代跟第三代离子阱芯片，而且实现了 20 个离子的量子相关操控，同时演示了“量子-经典”混杂算法。 国防科技年夜学研制胜利的三代离子阱芯片的表示图。 图片起源：国防科技年夜学离子阱研讨团队 除此之外，我国在离子阱芯片的研讨团队还包含清华年夜学、中国迷信技巧年夜学以及北方科技年夜学等单元，现在我国在离子阱芯片的团体研讨程度处于国际前线，然而与国际顶尖研讨团队比拟依然存在 5-8 年的研讨代差。 量子盘算的将来瞻望 量子盘算的开展固然非常敏捷，但依然处于起步阶段，当初判断哪种技巧道路会胜出还为时过早。现在迷信界主流的观念以为，要实现真正适用化的量子盘算机，须要依照“三步走”的开展策略，即：验证量子盘算的优胜性、在噪声情况下的中等范围量子盘算（NISQ），以及能够通用化的量子盘算。 以后，人类曾经实现“三步走”策略中的第一步——验证量子盘算的优胜性，而且曾经在“量子纠错”范畴迈出了坚固的一步，可能沿着“三步走”策略持续稳步前行。 在可预感的未来，咱们在实现“三步走”策略之后，量子盘算机将不只仅能够用于特定算法成绩的求解，还将为新质出产力供给强盛的算力支持，实现盘算才能的逾越式开展。 参考文献 [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.前往搜狐，检查更多 义务编纂：