近日，霍尼韋爾分拆出的量子計算公司Quantinuum，聯(lián)合霍尼韋爾的科學家，展示了一種新型量子電荷耦合器件（QCCD）架構(gòu)，可以在不增加錯誤率的情況下增加量子比特的數(shù)量，有望實現(xiàn)大規(guī)模離子阱量子計算機。
當下，該架構(gòu)已應用于其最新的離子阱量子計算系統(tǒng) Quantinuum H2上。
相關(guān)研究于12月18日以“A Race-Track Trapped-Ion Quantum Processor”為題發(fā)表于《 PHYSICAL REVIEW X 》[1]。
需要強調(diào)的是，Quantinuum H2系統(tǒng)發(fā)布之時，在QCCD架構(gòu)的加持下，Quantinuum宣稱是世界性能最強的量子計算系統(tǒng)。
與此同時，Quantinuum還宣布在H2上實現(xiàn)了“非阿貝爾任意子的可控制造與操控”。這些難以捉摸的準粒子被認為是開發(fā)本質(zhì)上抗錯的拓撲量子比特的關(guān)鍵，如果實現(xiàn)，容錯量子計算機就真正成為可能了。
彼時，這家年輕的公司，可謂震驚業(yè)界。
01.
離子阱，呈百家爭鳴之態(tài)
科學家們正在探索未來大規(guī)模量子計算的各種技術(shù)平臺，例如超導、中性原子、光量子，以及離子阱等。
在領(lǐng)先的競爭者中，離子阱量子比特因其低錯誤操作而脫穎而出。目前，量子計算上市公司 IonQ，量子計算初創(chuàng)公司Quantinuum，國內(nèi)華翊量子、啟科量子以及國儀量子等都在該技術(shù)棧發(fā)力。
然而，將此類平臺擴展到公用事業(yè)規(guī)模量子計算所需的數(shù)百萬個量子比特是一項艱巨的任務。
02.
離子阱量子系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)
在典型的離子阱量子計算機中，線性離子鏈受到使用直流 (dc) 和射頻 (rf) 場的電勢的限制。盡管離子阱裝置可以處于任何溫度，但離子本身需要激光冷卻至接近其基態(tài)。然后它們的運動可以被量子化，并且產(chǎn)生的運動模式可用于糾纏鏈中的任何一對離子，這是執(zhí)行量子操作的要求。
但是，控制長鏈中的單個離子也有其技術(shù)難度，而且不太可能在單個電勢中困住一百萬個量子比特。然而，這正是制造通用容錯量子計算機所需要的。
2002 年，一組科學家提出了所謂的量子電荷耦合器件 (QCCD) 架構(gòu)，其中短線性離子鏈通過在存儲區(qū)域和相互作用區(qū)域之間物理穿梭的離子來連接。
基于這種架構(gòu)的量子計算機包含許多離子阱，每個離子阱都有一組分段電極。通過改變這些電極上的電壓，單個（或一組）離子可以在系統(tǒng)周圍穿梭，與其他區(qū)域的離子相互作用。這樣，計算機就可以被分割成許多短的線性離子鏈，動態(tài)離子重排可以實現(xiàn)任意連接。
自從提出 QCCD 架構(gòu)以來，為了實現(xiàn)大規(guī)模 QCCD 離子阱量子計算機的夢想，人們進行了大量的工作。量子科學家之前報告過一維幾何的結(jié)果 [2]。
然而，將控制離子所需的所有電氣、光學和計算構(gòu)件組合在一起并非易事。此外，為了真正的可擴展性，所有這一切都必須以確保每量子比特錯誤率不會隨著更多量子比特的添加而增加的方式完成。
03.
新型 QCCD ，大規(guī)模量子系統(tǒng)架構(gòu)
現(xiàn)在，量子計算公司 Quantinuum 的 Steven Moses 及其同事展示了一種基于新型QCCD架構(gòu)的離子阱量子計算機，即 Quantinuum 系統(tǒng)模型 H2，他們能夠在不增加錯誤率的情況下增加量子比特的數(shù)量（從 20 到 32）。研究人員通過完整的組件級測試、一套行業(yè)標準基準測試和一組不同的應用程序?qū)υ撓到y(tǒng)進行了測試。
圖｜H2 表面離子阱微芯片圖片。圖像已被修改以增強陷阱特征的可見性。陷阱位于陷阱模具中心的峽部。陷阱的長軸為 6.58 毫米（從兩側(cè)直流電極邊緣算起），峽部寬度為 2.02 毫米（開源：Quantinuum）
H2是基于Quantinuum展示的新型 QCCD 架構(gòu)的離子阱量子計算機，其中離子圍繞跑道狀結(jié)構(gòu)移動（如下圖） ，新系統(tǒng)成功地融合了對未來可擴展性至關(guān)重要的多項技術(shù)，包括電極廣播、多層射頻路由和磁光陷阱 (MOT) 加載，同時保持甚至在某些情況下超越了先前 QCCD 系統(tǒng)的柵極保真度。
首先，射頻電極布線在設備的頂面下方，從而提高了電極幾何形狀的適應性。
其次，將一組直流電壓并行施加到多個電極，減少了需要發(fā)送到容納設備的真空室中的單獨控制電壓的數(shù)量這是增加陷阱復雜性時的一個重要考慮因素。
第三，離子從磁光陷阱中的冷中性原子云加載到設備中（而不是像通常那樣從溫暖的蒸氣中加載），從而實現(xiàn)更快的離子加載，從而減少初始化實驗所需的時間。
圖｜H2 離子阱概述，包括陷阱設計和澆口操作的升級。(a) 2D MOT 產(chǎn)生準直原子束，比熱熔爐具有更高的中性原子密度和更快的加載速度。(b) abc 用于傳送帶運輸?shù)碾姌O平鋪。(c) 用于實現(xiàn)內(nèi)部和外部射頻電極的射頻隧道。離子被捕獲70μ米遠離陷阱表面。(d) H2 陷阱的彩色頂部金屬層。綠色彎曲區(qū)域是離子存儲的傳送帶區(qū)域。底部藍色區(qū)域是DG01-DG04（從左到右），用于量子運算。頂部藍色區(qū)域是 UG01-UG04 門區(qū)域（從右到左），用于排序但不用于量子操作。深灰色環(huán)是射頻電極。黃色圓圈代表被門控的量子比特，而紅色圓圈代表在門期間處于存儲中的量子比特。黃色箭頭表示多普勒片束方向，而藍色箭頭表示多普勒再泵浦片束方向。(e) 2Q 門的離子配置和束流方向。大橙色圓圈代表Yb+而較小的紫色圓圈代表Ba+。(f) 左側(cè) 1Q 門的離子配置和束流方向Yb+。(g) 左側(cè)狀態(tài)準備和測量 (SPAM) 操作的離子配置和束流方向Yb+微動隱藏在右側(cè)Yb+ 。(h) 傳送帶區(qū)域中的存儲離子配置。（來源：Physics）
這些硬件改進得到了經(jīng)典計算基礎(chǔ)設施的支持
，這些基礎(chǔ)設施使Moses 和同事能夠?qū)ζ湎到y(tǒng)進行全自動校準并跟蹤特征量子比特相。研究人員還實施了“中間計算”測量和實時反饋，這是未來容錯演示的重要組成部分。
盡管這些功能之前已由該團隊和其他團隊單獨展示過，但它們的組合形成了一個強大的設備，可以在最先進的水平上運行。
使該設備成為可能的工程工作無疑是一項杰作。
Moses及其團隊全面描述了他們實現(xiàn)的過程，此處作簡要概述，更多細節(jié)可查看論文。他們首先描述了量子算法的每個可能組成部分：單量子比特操作、雙量子比特操作、狀態(tài)準備和測量以及離子傳輸。有了這些信息，研究人員就能夠?qū)λ绣e誤源進行全面分類，發(fā)現(xiàn)他們的系統(tǒng)的可靠性受到與兩個量子比特操作以及狀態(tài)準備和測量相關(guān)的錯誤的限制。
在此基礎(chǔ)上，研究人員還進行了系統(tǒng)級基準測試。包括哈密頓模擬、QAOA、重復碼的糾錯以及使用量子比特重用的動態(tài)模擬。盡管單操作表征可以很好地初步猜測機器的性能，但整個系統(tǒng)操作可能會因為串擾等原因而變得更糟。令人印象深刻的是，該團隊從組件級測試中推斷出的錯誤率與系統(tǒng)級基準測試中推斷出的錯誤率非常匹配。
其中一個基準是量子體積，一種表征量子系統(tǒng)計算能力的行業(yè)標準。研究人員實現(xiàn)了 2^16 的量子體積。這個數(shù)值在首次報道時創(chuàng)下了所有機器的記錄，但最近被 Quantinuum 的科學家在另一個設備上打破了這個記錄[3]。
最后，Moses和同事通過實施一系列算法對他們的系統(tǒng)進行了測試，每種算法都驗證了該設備的單獨能力。
圖｜ QuantinuumH 系列量子體積改進軌跡（來源：Quantinuum）
圖｜H1-1 上量子體數(shù)據(jù)的重輸出概率（左）217，（中）2< /span>19 和（右）218（來源：Quantinuum）
04.
未來挑戰(zhàn)
盡管 Moses 和同事的工作推進了離子阱量子計算，并為未來的努力樹立了令人敬畏的先例，但在我們擁有這些設備的公用規(guī)模版本之前，仍有許多工作要做。
首先，正如研究人員指出的，構(gòu)建真正的二維架構(gòu)會帶來新的挑戰(zhàn)，例如實現(xiàn)低誤差離子通過結(jié)點的傳輸以及放大必要的電控制信號。
其次，Moses 和同事指出，只有 1%2% 的計算時間花在了量子運算上；剩下的時間用于離子穿梭和冷卻。這個百分比對于未來的量子計算機來說是不夠的，必須付出巨大的努力來改進它。一種可能的解決方法是增加每條鏈中的離子數(shù)量，雖然這會增加技術(shù)開銷，但會減少需要的穿梭操作次數(shù)。
Quantinuum表示，基于離子阱的量子計算機的重大技術(shù)改進可以使大規(guī)模版本更接近現(xiàn)實。新量子系統(tǒng)目前使用 32 個量子比特運行，但我們計劃繼續(xù)升級到更多量子比特和更好的性能。這樣做將使我們進入量子優(yōu)勢階段，量子計算機將開始執(zhí)行經(jīng)典計算機無法在合理時間內(nèi)完成的計算。
引用：
[1]https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.13.041052
[2]https://www.nature.com/articles/nature00784
[3]https://www.quantinuum.com/news/quantinuum-h-series-quantum-computer-accelerates-through-3-more-performance-records-for-quantum-volume-217-218-and-219
[4]https://physics.aps.org/articles/v16/209#c5
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