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上周，科学家们向大规模量子计算机迈出了新的一步：萨塞克斯大学(University of Sussex)和Universal Quantum团队以创纪录的速度和精度
首次证明了量子比特可以在量子计算机微芯片之间直接传输
；他们将量子微芯片像拼图一样连接在一起，以制造强大的量子计算机。
这一最新研究证明了通过电场连接独立离子阱量子计算机模块的可行性，近日，外网记者与Foni Raphal Lepun-Gallagher博士就其团队在萨塞克斯大学的这一突破性研究进行了交谈。访谈中，Lepun-Gallagher博士进一步介绍了此次实验的突破：消除了在物理上是否可能扩大捕获离子量子计算机的不确定性；未来，团队将与德国航空航天中心（DLR）等工程团队合作，部署多模块量子计算机。
访谈全文
问：能否介绍一下您的背景以及您是如何参与这项研究的？
Lepun-Gallagher：我在法国和卢森堡长大，在雷恩大学获得了物理科学的本科学位；在澳大利亚昆士兰大学进行天体物理学研究实习时，我无意中发现了迷人的量子物理学世界，从那时起，我的热情就从未消退。2014年，我加入了萨塞克斯大学的量子技术硕士课程，我发现我们目前的科学发展水平不仅允许我们使用量子力学来描述我们周围的微观世界，而且还允许我们设计内部工作原理利用了这一理论的有用工具，这让我感到难以置信。
在萨塞克斯大学时，我遇到了Winfried Hensinger教授和他的研究小组，他激励我加入到利用捕获离子阵列建立实用量子计算机的探索中。在他的指导下，我在读博期间至今的五年多时间里，一直致力于开发解决方案，以克服阻碍扩大量子计算机规模的突出物理学和工程学障碍。
为了使这些机器能够解决有意义的、广泛的问题，量子计算机需要扩展到数百万的量子比特数量。然而，今天最先进的量子计算机只能够容纳少量的量子比特，量子比特数量通常低于100。
从第一天开始，我们研究小组的目标就非常明确：我们需要开发实用的技术和硬件，使量子计算机不再受制于比特数量的约束。
问：请您描述一下量子纠缠？
Lepun-Gallagher：量子纠缠是一种现象，即粒子或粒子组的特性紧密地交织在一起，以至于它们即使相隔很远，也可以相互影响。它的出现是量子力学中使用的抽象数学形式主义的直接后果；然而，试图在我们周围的物理世界中翻译和理解这种抽象的形式主义，会产生一些非常反直觉的结果。
令人惊讶的是，粒子之间的这种非同寻常的联系被预测为会引起它们之间的瞬时相互作用，这种特殊性也因被爱因斯坦指出而最为著名（在1935年的一篇论文中出现的EPR悖论）：他将其称为“远距离的幽灵运动”。事实上，这一现象是如此奇怪，它似乎违背了我们物理现实的一些基本原则，可以比光速更快地传输信息。
尽管早期有疑虑，但这一非凡现象被证明是真实的。在20世纪80年代，核心实验集中在产生和研究纠缠量子态的属性，这一现象也在去年获得了诺贝尔物理学奖。今天，量子纠缠被看作是量子力学的核心特征之一。
我们可以比较一下，在两个假想的量子硬币之间会发生什么，以代替我们的粒子。与我们的粒子一样，硬币也有一系列的特性：例如，一枚被抛出的硬币可以落在“正面”或“背面”。如果我们的量子硬币是相互独立的，并且如果我们在同一时间抛出它们，每个硬币的落地都会给出一个与其他硬币完全不相关的结果。我们没有办法知道它们会落在哪一面，而且我们知道，如果第一枚硬币落在“正面”，这不会对第二枚硬币落在哪一面产生任何影响。
现在，在纠缠的量子硬币的情况下，每次抛出的硬币结果总是完全相关的。例如，它们可以纠缠在一起，使它们总是落在彼此的相反面，也就是说，如果第一个硬币落在“背面”，另一个硬币就会落在“正面”。即使是在同一时间翻转!同样，在翻转之前，我们没有办法知道它们会落在哪一边，但我们可以肯定，通过观察一个硬币的结果，我们会知道另一个的结果。在这个意义上，我们不能把我们的硬币看作是两个独立的系统。
问：量子纠缠在量子计算机的运作中起什么作用？
Lepun-Gallagher：“量子纠缠”是与“量子叠加”和“量子干涉”并列的关键现象之一，在解决某些问题时，可以显著提高量子计算机的计算速度。
纠缠粒子的一个特点是，每增加一个粒子，可表示的量子状态的数量就会呈指数级增加，而不是线性增加。在量子计算机中，每个量子态都可以用来编码信息。因此，与经典计算机相比，在量子计算机上存储相同数量的信息所需的资源将大大减少。
然后，通过仔细控制纠缠在一起的量子态之间的相互干涉、自身干涉的方式来进行量子计算。这导致了与每个量子态相关的概率的增加或减少：当与正确输出相关的状态发现它在计算过程中出现的概率被放大和加强时，量子计算就成功了。
问：过去在创造高效量子计算机方面存在哪些障碍？
Lepun-Gallagher：首先，虽然量子计算仍处于起步阶段，但自20世纪80年代初首次被概念化以来，它已经取得了重大进展。今天，全世界学术界和工业界的许多研究人员都有能力以出色的精度隔离、利用和操纵量子系统。
量子信息可以在各种物理平台上被编码为量子比特，其中捕获离子是一个主要的候选者。事实上，使用捕获离子的量子计算机今天提供了一些量子计算机可以寻求的最有前途的属性：单个离子量子比特的量子态可以以无与伦比的精度被操纵，而用于量子逻辑的纠缠操作也可以以无与伦比的可靠性被执行。
问：你们关于量子计算的最新研究有什么革命性的意义？
Lepun-Gallagher：我们来自苏塞克斯大学和Universal Quantum的团队所证明的是，通过电场连接独立离子阱量子计算机模块的概念是一种可行的方法。该方法不仅可行，而且可以用来以最小的损失高速传输量子信息，从而消除了扩展到实用规模的量子计算机的一个关键障碍。
然而，正如前面所讨论的，现有的量子计算机目前仅限于承载少量的量子比特，这极大地阻碍了它们解决有可能对人们生活产生重大影响的问题的能力。
事实上，大多数颠覆性和预期的量子计算应用将需要数百万个量子比特。这是因为，尽管能够以很少的资源为代价编码大量的信息，但量子信息仍然非常脆弱，并会与周围的嘈杂环境产生不利的互动。为了进一步保护量子计算不出错，就需要更多数量的量子比特来执行“量子纠错”，这样就可以容忍小的错误。
一些物理架构已经被提出和开发出来，以展示实现这种容错机器的关键步骤。这类架构使用离子阱微芯片，可以通过应用对电极阵列的简单电压来执行量子算法。但即使如此，这种设备所能承载的离子量子比特的数量仍然受限于微芯片的尺寸。
因此，为了克服这一障碍，公用规模的量子计算机必须是模块化的，而且必须提供模块之间的连接方式，以确保量子信息的快速和可靠传输。
作为这一挑战的解决方案，我们的研究小组几年前从理论上提出通过电场直接连接离子阱量子计算机模块，并在模块之间直接传输离子量子比特。然而，这一概念为快速和高质量的模块间连接带来了希望，不过，直到现在还没有得到证实。
问：你们关于量子计算的最新研究有什么革命性的意义？
Lepun-Gallagher：我们来自萨塞克斯大学和Universal Quantum的团队所证明的是，通过电场连接独立离子阱量子计算机模块的概念是一种可行的方法。该方法不仅可行，而且可以用来以最小的损失高速传输量子信息，从而消除了扩展到实用规模的量子计算机的一个关键障碍。
更具体地说，在Falk Bonus、Mariam Akhtar和我共同领导的实验中，我们证明了捕获离子可以以每秒高达2424个链接的创纪录速度传输。在整个操作过程中，离子丢失的概率只有1500万分之一，这是相当低的!此外，我们还证明了在传输操作中，捕获离子内编码的量子信息仍然受到保护。
这些都是量子计算机扩大规模的关键特征。
问：你们如何能在创纪录的速度下实现如此令人印象深刻的可靠性？
Lepun-Gallagher：为了实现这些结果，我们构建了一个专门的离子捕获实验，其特点是将两个离子捕获微芯片模块置于一个真空装置中。
这些微芯片由嵌入的微结构电极组成，这些电极一直延伸到模块的边缘。通过对这些电极施加电压，我们能够产生一个定制的电场，将单个原子离子限制在每个模块的上方。实际上，我们困住了单个离子，在设备表面上方悬浮，距离约为人类头发的厚度（这里是125微米）。
原子周围的真空度非常高。事实上，我们的真空设备中的压力比我们周围空气所施加的压力小100万亿倍。这确保离子不受干扰，不与侵入的背景气体发生任何碰撞。
然后，每个离子通过多普勒冷却效应，使用激光进行冷却，使离子温度下降到微开尔文范围。
随着离子阱模块紧密排列到10微米以内，每个模块上产生的电场可以相互连接，并在两个模块的上方和中间形成一个连续的“禁锢”区域。然后，通过对模块的电极施加特定的电压序列，能够携带量子信息的单个离子被从一个模块转移到下一个模块。
问：在未来量子计算完全实现之前，还有什么需要发现或改进的？
Lepun-Gallagher：现在，的确还有许多挑战在路上。在我们看到一个通用的量子计算机器之前，还需要时间；但剩下的大部分挑战都是工程性质的。
现在，大规模量子计算所需的绝大部分技术已经被证明，剩下的问题是将它们整合到一个架构中。这项工作的开展将面临众多相互冲突的要求，并受到极端的设计和操作限制。有许多困难、挑战需要解决。但它们并不是物理上不可能的，只要有合适的资源、时间和专业知识就可以解决。
问：这项技术在未来可以应用于哪些领域？
Lepun-Gallagher：我应该强调，量子计算机是一种科学工具，最有可能在研发开发中实现应用，并将被用来解决一系列非常具体的问题。不过，量子计算机并不是能够治愈所有疾病的万能药！因为量子计算机是一个非常复杂的系统，非常适用于解决某些类别的问题。这不是为了更快地进行同样的经典计算，而是为了找到计算问题，当使用量子力学规则时，这些问题可以在总体上以更少的步骤有效地解决。
我们希望，通过利用我们所展示的技术，量子计算机将扩展到足以让它们开始解决有意义问题的量子比特数量。我指的是推动对人们生活有实际影响的各种领域，如帮助创造新材料和开发新药物，也协助将社会变得更加可持续。
问：对您来说，这项研究中最令人激动的是什么？
Lepun-Gallagher：虽然这确实消除了一个挑战，但仍有许多挑战挡在前面，让我个人最兴奋的是，我们已经消除了在物理上是否可能扩大捕获离子量子计算机的不确定性。仅仅是问题性质上的这一变化，就是我们对待量子计算机发展方式的一个完整的范式转变。
这真是太棒了，因为在萨塞克斯大学和Universal Quantum公司，我们都有一个清晰的工程路线图，可以利用这项技术构建一个实用的量子计算机器。
问：接下来的步骤是什么？
Lepun-Gallagher：我们已经在进行升级工作了!
该系统目前正在安装改进的、高性能的电子硬件，这样我们就可以更快地推动这些连接率。此外，我们已经与Universal Quantum的其他工程团队紧密合作，将这项技术作为多模块量子计算机的一部分进行部署，该计算机正在为德国航空航天中心（DLR）建造。
参考链接：
https://www.azoquantum.com/Article.aspx?ArticleID=406
