出品：科普中國(guó)

作者：欒春陽(yáng)（國(guó)防科技大學(xué)理學(xué)院）

吳偉（國(guó)防科技大學(xué)理學(xué)院）

王雨桐（清華大學(xué)物理學(xué)博士）

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

提到量子計(jì)算，相信各位讀者首先想到的就是大名鼎鼎的超導(dǎo)量子計(jì)算系統(tǒng)。然而，早在1995年，物理學(xué)家伊格納西奧·西拉克（Ignacio Cirac）和彼得·佐勒（Peter Zoller）就提出了一種創(chuàng)新的方法，即利用穩(wěn)定囚禁的離子來(lái)實(shí)現(xiàn)量子邏輯門的操作，進(jìn)而構(gòu)建量子計(jì)算系統(tǒng)，這被稱為“離子阱量子計(jì)算”。目前，離子阱量子計(jì)算與超導(dǎo)量子計(jì)算一起，被認(rèn)為是有望實(shí)現(xiàn)真正實(shí)用化的量子計(jì)算的兩種主流方案。

顧名思義，“離子阱量子計(jì)算”就是將離子穩(wěn)定地囚禁在一個(gè)特定的勢(shì)阱中，使其能夠編碼量子比特并參與量子計(jì)算。因此，“離子”和“勢(shì)阱”是該系統(tǒng)最核心的兩個(gè)要素，它們也是理解“離子阱量子計(jì)算”工作原理的關(guān)鍵。

圖1 穩(wěn)定囚禁在勢(shì)阱中離子的示意圖。

其中，每個(gè)白色圓點(diǎn)代表單個(gè)離子，軸向的黃色箭頭代表直流電場(chǎng)，交變的綠色箭頭代表交流電場(chǎng)

（圖片來(lái)源：作者繪制）

那么，科學(xué)家們?yōu)槭裁匆x擇囚禁離子呢？離子阱量子計(jì)算系統(tǒng)又擁有哪些獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，使其能夠與超導(dǎo)量子計(jì)算系統(tǒng)并列，成為實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的兩大主流技術(shù)之一呢？讓我們帶著這些疑問，一起深入了解這個(gè)雖然低調(diào)但實(shí)力非凡的離子阱量子計(jì)算系統(tǒng)吧！

離子量子比特——小小的身體，大大的能力

實(shí)際上，離子是帶有電荷的原子，因此它們內(nèi)部自然存在穩(wěn)定的能級(jí)結(jié)構(gòu)。利用這一特性，科學(xué)家們可以選擇離子內(nèi)部的兩個(gè)特定能級(jí)，將它們編碼成一個(gè)性能穩(wěn)定的二能級(jí)系統(tǒng)，也就是我們所說(shuō)的量子比特。

對(duì)于單個(gè)囚禁離子中的二能級(jí)系統(tǒng)，我們可以將能量較高的狀態(tài)標(biāo)記為|1?態(tài)，而將能量較低的狀態(tài)標(biāo)記為|0?態(tài)。由于離子內(nèi)部能級(jí)之間的躍遷遵循量子力學(xué)的概率性原理，單個(gè)離子的能量狀態(tài)可以同時(shí)處于|1?態(tài)和|0?態(tài)的疊加狀態(tài)，使其能夠作為離子量子比特參與量子計(jì)算機(jī)的并行運(yùn)算。

進(jìn)一步來(lái)說(shuō)，如果我們能在離子阱系統(tǒng)中穩(wěn)定囚禁N個(gè)離子，理論上就可以編碼N個(gè)獨(dú)立的離子量子比特。在特定的激光光場(chǎng)和微波場(chǎng)的精確控制下，這些離子量子比特能夠進(jìn)行2的N次方的并行量子運(yùn)算，展現(xiàn)出量子計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的并行處理能力。

圖2 含有18個(gè)171Yb+離子的離子鏈

（圖片來(lái)源：作者提供）

在深入探討離子阱量子計(jì)算系統(tǒng)時(shí)，我們不得不提到其朝著規(guī)模化和集成化方向發(fā)展的一個(gè)重要里程碑——基于離子阱量子計(jì)算芯片的離子輸運(yùn)方案，這一方案也被稱作QCCD（Quantum Charge-Coupled Device）方案。

具體來(lái)說(shuō)，離子阱量子計(jì)算芯片被設(shè)計(jì)成擁有多個(gè)空間功能區(qū)域，這些區(qū)域通過調(diào)節(jié)復(fù)合電場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)離子在不同功能區(qū)域之間的精確輸運(yùn)。這些區(qū)域分別承擔(dān)著量子比特的存儲(chǔ)、邏輯門操作、量子態(tài)測(cè)量等關(guān)鍵任務(wù)。通過這些操作的有機(jī)組合，QCCD方案能夠確保每次量子操作的保真度不會(huì)因?yàn)榭傠x子數(shù)的增加而降低，這是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模通用量子計(jì)算的關(guān)鍵所在。

圖3 基于離子阱量子計(jì)算芯片的離子輸運(yùn)方案

（QCCD方案）的示意圖

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[2]）

正是憑借著優(yōu)異的性能表現(xiàn)，離子阱量子計(jì)算芯片的研究受到了美國(guó)國(guó)家核安全局下屬的桑迪亞（sandia）國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的持續(xù)投入。早在2010，Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室制備和測(cè)試了第一款離子阱量子計(jì)算芯片，并且成功實(shí)現(xiàn)了40Ca+的囚禁；隨后在2016年，Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研制出新一代的離子阱量子計(jì)算芯片“HOA-2.0”，可以穩(wěn)定囚禁離子超過100小時(shí)；在2020年，該實(shí)驗(yàn)室推出了電極結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜的離子阱量子計(jì)算芯片“Phoenix and Peregrine”，具備更優(yōu)異的離子輸運(yùn)性能。

離子阱量子計(jì)算——量子計(jì)算中的“得分王”

相較于沖鋒在前的超導(dǎo)量子計(jì)算系統(tǒng)，離子阱量子計(jì)算系統(tǒng)具有許多獨(dú)有的性能優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是量子計(jì)算前沿研究中“得分王”的角色，這表現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

1.較低的錯(cuò)誤率：離子被穩(wěn)定囚禁在超高真空的腔體內(nèi)，能夠有效地隔絕外界環(huán)境的干擾，并且能在激光場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)特定的量子操控。目前，離子阱量子計(jì)算系統(tǒng)分別創(chuàng)下最高保真度的單量子比特門（99.9999%）和最高保真度的雙量子比特門（99.94%）的世界記錄；

2.高度的互聯(lián)性：得益于囚禁離子間的庫(kù)倫長(zhǎng)程相互作用，同一離子鏈中的不同離子在激光場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下，能夠?qū)崿F(xiàn)彼此之間全連接的信息交互，從而極大地提升了并行算力；

3.超長(zhǎng)的退相干時(shí)間：采用特定的動(dòng)態(tài)解耦方案和協(xié)同冷卻技術(shù)，離子量子比特的量子特性能夠有效地與環(huán)境解耦，目前已經(jīng)創(chuàng)下最長(zhǎng)的單量子比特相干時(shí)間（5500秒）。

2023年12月，全球最大的離子阱量子計(jì)算公司Quantinuum同樣采用上述的QCCD方案，推出了具備32個(gè)離子量子比特的“H2”離子阱芯片，并且實(shí)現(xiàn)了平均保真度99.997%的單比特量子邏輯門，以及全連通保真度為99.8%的雙比特量子邏輯門，吸引了科學(xué)界的廣泛關(guān)注。而就在2024年6月，該公司推出了全新升級(jí)的離子阱量子計(jì)算芯片“H2-1”，并且拓展至56個(gè)離子量子比特，其雙量子比特門保真度更是高達(dá)99.914%，成為首臺(tái)達(dá)到“三個(gè)九”臨界值的商用量子計(jì)算機(jī)。

圖4 離子阱量子計(jì)算公司Quantinuum發(fā)布的離子阱芯片
（圖片來(lái)源：Quantinuum）

相較于專注單一指標(biāo)的超導(dǎo)量子計(jì)算系統(tǒng)，作為“得分王”的離子阱量子計(jì)算系統(tǒng)則更加注重量子算力的整體提升。

通常而言，量子計(jì)算機(jī)的整體算力需要從量子比特?cái)?shù)目、量子比特的連接性以及量子糾纏門的保真度這三個(gè)方面來(lái)綜合考慮，而“量子體積（QV）”就是綜合這三個(gè)方面的關(guān)鍵指標(biāo)。量子體積越大，量子計(jì)算機(jī)就具有更強(qiáng)大的整體算力，目前離子阱量子計(jì)算體系已經(jīng)達(dá)到2的20次方，成為目前世界上量子體積最大的量子計(jì)算系統(tǒng)。

圖5 Quantinuum的量子體積（QV）達(dá)到了新的世界紀(jì)錄（2的20次方）

（圖片來(lái)源：Quantinuum，參考文獻(xiàn)[3-4]）

離子阱芯片國(guó)內(nèi)的進(jìn)展——國(guó)際前列，但仍然存在代差

早在2014年，來(lái)自國(guó)防科技大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)就設(shè)計(jì)出國(guó)內(nèi)第一款離子阱芯片，實(shí)現(xiàn)了相關(guān)專業(yè)人才的培養(yǎng)和儲(chǔ)備；在2016年，該研究團(tuán)隊(duì)在早期的離子阱芯片中，成功實(shí)現(xiàn)了38個(gè)一維40Ca+離子鏈的囚禁。在第一代離子阱芯片的研究基礎(chǔ)上，該研究團(tuán)隊(duì)隨后相繼研制了第二代和第三代離子阱芯片，并且實(shí)現(xiàn)了20個(gè)離子的量子相干操控，同時(shí)演示了量子-經(jīng)典混合算法。

圖6 國(guó)防科技大學(xué)研制成功的三代離子阱芯片的示意圖

（圖片來(lái)源：國(guó)防科技大學(xué)離子阱研究團(tuán)隊(duì)）

除此之外，我國(guó)在離子阱芯片的研究團(tuán)隊(duì)還包括清華大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)以及南方科技大學(xué)等單位，目前我國(guó)在離子阱芯片的整體研究水平處于國(guó)際前列，但是與國(guó)際頂尖研究團(tuán)隊(duì)相比仍然存在5-8年的研究代差。

近年來(lái)，受限于研究科學(xué)儀器和關(guān)鍵技術(shù)的國(guó)際禁運(yùn)，近年來(lái)我國(guó)的研究團(tuán)隊(duì)在離子阱芯片的前沿研究中，面臨著“巧婦難為無(wú)米之炊”的科研窘境。一方面，諸如高純?cè)影胁摹⒏咝阅芗す馄饕约跋冗M(jìn)芯片工藝等關(guān)鍵部件，無(wú)法得到足夠的技術(shù)支持；另一方面，從事離子阱量子計(jì)算相關(guān)的專業(yè)人才明顯不足，容易使得現(xiàn)有的研究團(tuán)隊(duì)陷入長(zhǎng)期的人力消耗中。

量子計(jì)算的展望——腳踏實(shí)地，未來(lái)可期

量子計(jì)算的發(fā)展雖然十分迅速，但仍然處于起步階段，現(xiàn)在就斷定哪種技術(shù)路線會(huì)勝出還為時(shí)過早。目前科學(xué)界主流的觀點(diǎn)認(rèn)為，要實(shí)現(xiàn)真正實(shí)用化的量子計(jì)算機(jī)，需要按照“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略，即：驗(yàn)證量子計(jì)算的優(yōu)越性、在噪聲環(huán)境下的中等規(guī)模量子計(jì)算（NISQ），以及可以通用化的量子計(jì)算。

當(dāng)前，人類已經(jīng)完成“三步走”戰(zhàn)略中的第一步——驗(yàn)證量子計(jì)算的優(yōu)越性，并且已經(jīng)在量子糾錯(cuò)領(lǐng)域邁出了堅(jiān)實(shí)的一步，從而沿著“三步走”戰(zhàn)略繼續(xù)穩(wěn)步前行。在可預(yù)見的將來(lái)，我們?cè)谕瓿伞叭阶摺睉?zhàn)略之后，量子計(jì)算機(jī)將不僅僅可以用于特定算法問題的求解，還將為新質(zhì)生產(chǎn)力提供強(qiáng)大算力支撐，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)算能力的跨越式發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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[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.

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