近日，霍尼韦尔分拆出的量子计算公司Quantinuum，联合霍尼韦尔的科学家，展示了一种新型量子电荷耦合器件（QCCD）架构，可以在不增加错误率的情况下增加量子比特的数量，有望实现大规模离子阱量子计算机。
当下，该架构已应用于其最新的离子阱量子计算系统 Quantinuum H2上。
相关研究于12月18日以“A Race-Track Trapped-Ion Quantum Processor”为题发表于《 PHYSICAL REVIEW X 》[1]。
需要强调的是，Quantinuum H2系统发布之时，在QCCD架构的加持下，Quantinuum宣称是世界性能最强的量子计算系统。
与此同时，Quantinuum还宣布在H2上实现了“非阿贝尔任意子的可控制造与操控”。这些难以捉摸的准粒子被认为是开发本质上抗错的拓扑量子比特的关键，如果实现，容错量子计算机就真正成为可能了。
彼时，这家年轻的公司，可谓震惊业界。
01.
离子阱，呈百家争鸣之态
科学家们正在探索未来大规模量子计算的各种技术平台，例如超导、中性原子、光量子，以及离子阱等。
在领先的竞争者中，离子阱量子比特因其低错误操作而脱颖而出。目前，量子计算上市公司 IonQ，量子计算初创公司Quantinuum，国内华翊量子、启科量子以及国仪量子等都在该技术栈发力。
然而，将此类平台扩展到公用事业规模量子计算所需的数百万个量子比特是一项艰巨的任务。
02.
离子阱量子系统面临的挑战
在典型的离子阱量子计算机中，线性离子链受到使用直流 (dc) 和射频 (rf) 场的电势的限制。尽管离子阱装置可以处于任何温度，但离子本身需要激光冷却至接近其基态。然后它们的运动可以被量子化，并且产生的运动模式可用于纠缠链中的任何一对离子，这是执行量子操作的要求。
但是，控制长链中的单个离子也有其技术难度，而且不太可能在单个电势中困住一百万个量子比特。然而，这正是制造通用容错量子计算机所需要的。
2002 年，一组科学家提出了所谓的量子电荷耦合器件 (QCCD) 架构，其中短线性离子链通过在存储区域和相互作用区域之间物理穿梭的离子来连接。
基于这种架构的量子计算机包含许多离子阱，每个离子阱都有一组分段电极。通过改变这些电极上的电压，单个（或一组）离子可以在系统周围穿梭，与其他区域的离子相互作用。这样，计算机就可以被分割成许多短的线性离子链，动态离子重排可以实现任意连接。
自从提出 QCCD 架构以来，为了实现大规模 QCCD 离子阱量子计算机的梦想，人们进行了大量的工作。量子科学家之前报告过一维几何的结果 [2]。
然而，将控制离子所需的所有电气、光学和计算构件组合在一起并非易事。此外，为了真正的可扩展性，所有这一切都必须以确保每量子比特错误率不会随着更多量子比特的添加而增加的方式完成。
03.
新型 QCCD ，大规模量子系统架构
现在，量子计算公司 Quantinuum 的 Steven Moses 及其同事展示了一种基于新型QCCD架构的离子阱量子计算机，即 Quantinuum 系统模型 H2，他们能够在不增加错误率的情况下增加量子比特的数量（从 20 到 32）。研究人员通过完整的组件级测试、一套行业标准基准测试和一组不同的应用程序对该系统进行了测试。
图｜H2 表面离子阱微芯片图片。图像已被修改以增强陷阱特征的可见性。陷阱位于陷阱模具中心的峡部。陷阱的长轴为 6.58 毫米（从两侧直流电极边缘算起），峡部宽度为 2.02 毫米（开源：Quantinuum）
H2是基于Quantinuum展示的新型 QCCD 架构的离子阱量子计算机，其中离子围绕跑道状结构移动（如下图） ，新系统成功地融合了对未来可扩展性至关重要的多项技术，包括电极广播、多层射频路由和磁光陷阱 (MOT) 加载，同时保持甚至在某些情况下超越了先前 QCCD 系统的栅极保真度。
首先，射频电极布线在设备的顶面下方，从而提高了电极几何形状的适应性。
其次，将一组直流电压并行施加到多个电极，减少了需要发送到容纳设备的真空室中的单独控制电压的数量这是增加陷阱复杂性时的一个重要考虑因素。
第三，离子从磁光陷阱中的冷中性原子云加载到设备中（而不是像通常那样从温暖的蒸气中加载），从而实现更快的离子加载，从而减少初始化实验所需的时间。
图｜H2 离子阱概述，包括陷阱设计和浇口操作的升级。(a) 2D MOT 产生准直原子束，比热熔炉具有更高的中性原子密度和更快的加载速度。(b) abc 用于传送带运输的电极平铺。(c) 用于实现内部和外部射频电极的射频隧道。离子被捕获70μ米远离陷阱表面。(d) H2 陷阱的彩色顶部金属层。绿色弯曲区域是离子存储的传送带区域。底部蓝色区域是DG01-DG04（从左到右），用于量子运算。顶部蓝色区域是 UG01-UG04 门区域（从右到左），用于排序但不用于量子操作。深灰色环是射频电极。黄色圆圈代表被门控的量子比特，而红色圆圈代表在门期间处于存储中的量子比特。黄色箭头表示多普勒片束方向，而蓝色箭头表示多普勒再泵浦片束方向。(e) 2Q 门的离子配置和束流方向。大橙色圆圈代表Yb+而较小的紫色圆圈代表Ba+。(f) 左侧 1Q 门的离子配置和束流方向Yb+。(g) 左侧状态准备和测量 (SPAM) 操作的离子配置和束流方向Yb+微动隐藏在右侧Yb+ 。(h) 传送带区域中的存储离子配置。（来源：Physics）
这些硬件改进得到了经典计算基础设施的支持
，这些基础设施使Moses 和同事能够对其系统进行全自动校准并跟踪特征量子比特相。研究人员还实施了“中间计算”测量和实时反馈，这是未来容错演示的重要组成部分。
尽管这些功能之前已由该团队和其他团队单独展示过，但它们的组合形成了一个强大的设备，可以在最先进的水平上运行。
使该设备成为可能的工程工作无疑是一项杰作。
Moses及其团队全面描述了他们实现的过程，此处作简要概述，更多细节可查看论文。他们首先描述了量子算法的每个可能组成部分：单量子比特操作、双量子比特操作、状态准备和测量以及离子传输。有了这些信息，研究人员就能够对所有错误源进行全面分类，发现他们的系统的可靠性受到与两个量子比特操作以及状态准备和测量相关的错误的限制。
在此基础上，研究人员还进行了系统级基准测试。包括哈密顿模拟、QAOA、重复码的纠错以及使用量子比特重用的动态模拟。尽管单操作表征可以很好地初步猜测机器的性能，但整个系统操作可能会因为串扰等原因而变得更糟。令人印象深刻的是，该团队从组件级测试中推断出的错误率与系统级基准测试中推断出的错误率非常匹配。
其中一个基准是量子体积，一种表征量子系统计算能力的行业标准。研究人员实现了 2^16 的量子体积。这个数值在首次报道时创下了所有机器的记录，但最近被 Quantinuum 的科学家在另一个设备上打破了这个记录[3]。
最后，Moses和同事通过实施一系列算法对他们的系统进行了测试，每种算法都验证了该设备的单独能力。
图｜ QuantinuumH 系列量子体积改进轨迹（来源：Quantinuum）
图｜H1-1 上量子体数据的重输出概率（左）217，（中）2< /span>19 和（右）218（来源：Quantinuum）
04.
未来挑战
尽管 Moses 和同事的工作推进了离子阱量子计算，并为未来的努力树立了令人敬畏的先例，但在我们拥有这些设备的公用规模版本之前，仍有许多工作要做。
首先，正如研究人员指出的，构建真正的二维架构会带来新的挑战，例如实现低误差离子通过结点的传输以及放大必要的电控制信号。
其次，Moses 和同事指出，只有 1%2% 的计算时间花在了量子运算上；剩下的时间用于离子穿梭和冷却。这个百分比对于未来的量子计算机来说是不够的，必须付出巨大的努力来改进它。一种可能的解决方法是增加每条链中的离子数量，虽然这会增加技术开销，但会减少需要的穿梭操作次数。
Quantinuum表示，基于离子阱的量子计算机的重大技术改进可以使大规模版本更接近现实。新量子系统目前使用 32 个量子比特运行，但我们计划继续升级到更多量子比特和更好的性能。这样做将使我们进入量子优势阶段，量子计算机将开始执行经典计算机无法在合理时间内完成的计算。
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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