技术突破：美国推出32位离子阱量子计算机寄存器

离子阱技术的发展可以追溯到 1980 年，尽管大众对“离子阱”这个词汇依然感到新奇又陌生，但各界对离子阱量子计算机的探索却从未停止。

近日，据美国光学学会报道，来自美国杜克大学和马里兰大学的研究者设计出了在低温下运行的完全连接的32位离子阱量子计算机寄存器，向开发实用量子计算机迈出了重要一步。

（图片来源：CC0 Public Domain）

杜克大学量子计算机硬件设计研究员Junki Kim表示："在与马里兰大学的合作中，我们已经设计并制造了几代完全可编程的离子阱量子计算机。这个系统是最新的努力成果，可以直接解决许多导致长期可靠性的挑战。”Junki Kim将在 9 月 14 日至 17 日举行的首届 OSA Quantum 2.0 会议上介绍这一最新的量子计算机硬件设计。

大型离子阱量子计算机是量子计算领域最有前途的技术热点之一，但要制造出具有足够量子比特的量子计算机用于实际应用一直是个挑战，比如背景分子碰撞会导致离子链破坏、驱动逻辑门的激光束不稳定，以及来自捕获电极会产生电场噪声……

该研究团队通过采用新方法来应对这些挑战，离子被捕获在闭环低温恒温器内部的局部超高真空罩中，低温恒温器冷却至4K温度，振动极小。这种布置消除了由于与环境中的残留分子碰撞而引起的量子比特链的干扰，并有力抑制了阱表面的异常加热。

为了获得干净的激光束轮廓并最大程度地减少误差，研究人员使用光子晶体光纤来连接拉曼光学系统的各个部分，以驱动量子比特门。此外，操作量子计算机所需的精密激光系统被设计成可以从光学台上取下来，并安装在仪器架上，然后激光束通过单模光纤输送到系统中。这一方法从根本上消除了机械和热的不稳定性，为离子阱量子计算机创造了一个关键的激光装置。

研究人员已经证明，该系统能够自动按需加载离子量子链，并能利用微波场进行简单的量子操作。该团队在实现纠缠门方面取得了客观的进展，其方式可以扩展到完整的32个量子比特。

在未来的研究中，该团队计划与计算机科学家和量子算法研究人员合作，将硬件专用软件与离子阱量子计算硬件进行整合。由全连接的离子阱量子比特和硬件专用软件组成的全集成系统将为最终的、可实用的离子阱量子计算机奠定基础。

目前国际上正在探索的量子计算的物理系统包括超导、离子阱、超冷原子、半导体量子点等，全球科技巨头和初创公司纷纷选择了不同的物理系统并深入研发，以期争夺量子计算的话语权甚至是定义权。其中离子阱量子计算因具有量子比特品质高，相干时间较长以及量子比特的制备和读出效率较高三大特点，被业界寄予厚望。

离子阱，又称离子陷阱，其技术原理是利用电荷与电磁场间的交互作用力牵制带电粒子体运动，并利用受限离子的基态和激发态组成的两个能级作为量子比特。

学界对离子阱路线的基础路线研究很多，但近几年才开始有公司大规模开展离子阱量子计算机的研发，这其中包括美国的霍尼韦尔和IonQ、英国的UQ（Universal Quantum）以及中国的启科量子等。

作为工业巨头的霍尼韦尔，在2018年宣布进军量子计算领域，采用离子阱技术实现量子计算，2020年霍尼韦尔推出了64个量子体积的量子计算机，其量子解决方案团队负责人称“霍尼韦尔的量子计算机拥有质量最高、错误率最低的可用量子比特，而且使用相同的、全连接的量子比特和精确控制的组合。”

（霍尼韦尔离子阱量子计算机）

量子计算初创企业IonQ，其离子阱量子计算机在2018年就已经实现了160个存储量子比特和79个处理量子比特。IonQ认为，使用激光冷却和隔离单个离子的捕获离子技术，将改进、并超越传统技术，因为捕获的离子相同、稳定、易于控制，它们将以更好的性能和更高的可预测性进行扩展。

从英国萨塞克斯大学分离出来的量子初创公司UQ，目标是使用微波离子阱技术开发实用的量子计算机，该技术使用长波辐射和局部施加的磁场来代替其他离子阱实现中使用的大量单独控制的激光束，而且仅需冷却到70开氏温度，不需降至毫开温度。UQ在今年获得了450万美元的超额种子轮融资，被投资机构评价为“UQ是全球唯一能够将量子计算的效率提高到指数级的公司”。

在量子计算和量子通信领域均有建树的启科量子，团队核心成员曾实现全球首次在离子阱芯片上的离子囚禁，主导研发了全球第一套量子计算测控系统，目前启科量子的离子阱可扩展分布式量子计算机项目“天算1号”，第一阶段技术指标可达到 100个可操控量子比特以上，计划将在2~3年内完成。

除了上述企业外，美国国家标准技术研究所（NIST）、美国桑迪亚国家实验室、苏黎世联邦理工学院等机构也都在开展离子阱技术的研究。

在量子计算争夺战中，离子阱技术是否将占据主导地位目前还不确定，但无论是学术界、企业界还是资本界都对离子阱量子计算进行深入布局，并充满热情。未来，离子阱量子计算是一骑绝尘还是与其他技术并驾齐驱，让我们拭目以待。