提到量子讨论，咱们领先料想的等于大名鼎鼎的超导量子讨论系统。关联词www.xxxx.com，早在 1995 年，物理学家伊格纳西奥·西拉克（Ignacio Cirac）和彼得·佐勒（Peter Zoller）就提议了一种更始的才略，即诈欺证实“囚禁”的离子来终了量子逻辑门的操作，进而构建量子讨论系统，这被称为“离子阱量子讨论”。

咫尺，离子阱量子讨论与超导量子讨论一王人，被觉得是有望终了真的实用化的量子讨论的两种主流决议。

顾名想义，“离子阱量子讨论”等于将离子证实地“囚禁”在一个特定的势阱中，使其概况编码量子比特并参与量子讨论。因此，“离子”和“势阱”是该系统最中枢的两个身分，它们亦然证实“离子阱量子讨论”职责旨趣的要道。

证实“囚禁”在势阱中的离子表示图。其中，每个白色圆点代表单个离子，轴向的黄色箭头代表直流电场，交变的绿色箭头代表交流电场。图片开端：作家绘图

那么，科学家们为什么要选择“囚禁”离子呢？离子阱量子讨论系统又领有哪些终点的上风，使其概况与超导量子讨论系统并排，成为终了量子讨论的两大主流期间之一呢？

让咱们带着这些疑问，一王人深远了解这个固然低调但实力超卓的离子阱量子讨论系统吧！

小小的“体魄”，大大的智力

——离子量子比特

施行上，离子是带有电荷的原子，因此它们里面当然存在证实的能级结构。诈欺这一特色，科学家们不错选择离子里面的两个特定能级，将它们编码成一个性能证实的二能级系统，也等于咱们所说的量子比特。

关于单个“囚禁”离子中的二能级系统，咱们不错将能量较高的气象标志为 |1⟩ 态，而将能量较低的气象标志为 |0⟩ 态。由于离子里面能级之间的跃迁驯服量子力学的概猖獗旨趣，单个离子的能量气象不错同期处于 |1⟩ 态和 |0⟩ 态的疏导气象，使其概况手脚离子量子比特参与量子讨论机的并走运算。

进一步来说，淌若咱们能在离子阱系统中证实“囚禁” N 个离子，表面上就不错编码 N 个寂寞的离子量子比特。在特定的激光光场和微波场的精确收尾下，这些离子量子比特概况进行 2 的 N 次方的并行量子运算，展现出量子讨论机重大的并行惩处智力。

含有18个171Yb+离子的离子链。图片开端：作家提供

在深远探讨离子阱量子讨论系统时，咱们不得不提到其朝着畛域化和集成化标的发展的一个遑急里程碑——基于离子阱量子讨论芯片的离子输运决议，这一决议也被称作 QCCD（Quantum Charge-Coupled Device）决议。

具体来说，离子阱量子讨论芯片被忖度打算成领有多个空间功能区域，这些区域通过退换复合电场来终了离子在不同功能区域之间的精确输运。这些区域永别承担着量子比特的存储、逻辑门操作、量子态测量等要道任务。通过这些操作的有机组合，QCCD 决议概况确保每次量子操作的保真度不会因为总离子数的加多而镌汰，这是终了大畛域通用量子讨论的要道方位。

基于离子阱量子讨论芯片的离子输运决议（QCCD决议）的表示图。

图片开端：参考文件[2]

恰是凭借着优异的性能阐发，离子阱量子讨论芯片的商榷受到了好意思国国度核安全局下属的桑迪亚（Sandia）国度实验室的抓续干与。早在 2010 年，桑迪亚国度实验室制备和测试了第一款离子阱量子讨论芯片，况兼告捷终显露 40Ca+ 的“囚禁”；随后在 2016 年，桑迪亚国度实验室研制出新一代的离子阱量子讨论芯片“HOA-2.0”，不错证实“囚禁”离子卓越 100 小时；在 2020 年，该实验室推出了电极结构愈加复杂的离子阱量子讨论芯片“Phoenix and Peregrine”，具备更优异的离子输运性能。

量子讨论中的“得分王”

——离子阱量子讨论

相较于冲锋在前的超导量子讨论系统，离子阱量子讨论系统具有好多特有的性能上风，被觉得是量子讨论前沿商榷中的“得分王”，这表当今以下三个方面：

1

较低的豪恣率

离子被证实“囚禁”在超高真空的腔体内，概况灵验地闭幕外界环境的打扰，况兼能在激光场的初始下终了特定的“量子操控”。咫尺，离子阱量子讨论系统永别创下最高保真度的单量子比特门（99.9999%）和最高保真度的双量子比特门（99.94%）的寰球记录；

2

高度的互联性

收获于“囚禁”离子间的库伦长程相互作用，并吞离子链中的不同离子在激光场的初始下，概况终了相互之间全相连的信断交互，从而极地面提高了并行算力；

3

超长的退联系时期

继承特定的动态解耦决议和协同冷却期间，离子量子比特的量子特色概况灵验地与环境解耦，咫尺依然创下最长的单量子比特联系时期（5500秒）。

2023 年 12 月，专家最大的离子阱量子讨论公司 (Quantinuum)雷同继承上述 QCCD 决议，推出了具备 32 个离子量子比特的 “H2” 离子阱芯片，况兼终显露平均保真度 99.997% 的单比特量子逻辑门，以及全连通保真度为 99.8% 的双比特量子逻辑门，诱骗了科学界的平凡存眷。

2024 年 6 月，该公司推出了全新升级的离子阱量子讨论芯片 “H2-1”，况兼拓展至 56 个离子量子比特，其双量子比特门保真度更是高达 99.914%，成为首台达到“三个九”临界值的商用量子讨论机。

离子阱量子讨论公司Quantinuum发布的离子阱芯片。图片开端：Quantinuum

相较于专注单一目的的超导量子讨论系统，手脚“得分王”的离子阱量子讨论系统则愈加夺目量子算力的举座提高。

时常而言，量子讨论机的举座算力需要从量子比特数量、量子比特的相连性以及量子纠缠门的保真度这三个方面来轮廓磋议，而“量子体积（QV）”等于轮廓这三个方面的要道目的。量子体积越大，量子讨论机就具有更重大的举座算力，咫尺离子阱量子讨论体系依然达到 2 的 20 次方，成为咫尺寰球上量子体积最大的量子讨论系统。

Quantinuum的量子体积（QV）达到了新的寰球记录（2的20次方）。

图片开端：Quantinuum，参考文件[3-4]

离子阱芯片的国内发展

早在 2014 年，来自国防科技大学的商榷团队就忖度打算放洋内第一款离子阱芯片，终显露有关专科东说念主才的培养和储备；在 2016 年，该商榷团队在早期的离子阱芯片中，告捷终显露 38 个一维 40Ca+离子链的“囚禁”。

在第一代离子阱芯片的商榷基础上，该商榷团队接踵研制了第二代和第三代离子阱芯片，况兼终显露 20 个离子的量子联系操控，同期演示了“量子-经典”混划算法。

国防科技大学研制告捷的三代离子阱芯片的表示图。

图片开端：国防科技大学离子阱商榷团队

除此除外，我国在离子阱芯片的商榷团队还包括清华大学、中国科学期间大学以及南边科技大学等单元，咫尺我国在离子阱芯片的举座商榷水平处于国外前方，但是与国外顶尖商榷团队比较仍然存在 5-8 年的商榷代差。

量子讨论的将来权衡

量子讨论的发展固然相称飞速，但仍然处于起步阶段，当今料定哪种期间门路会胜出还为时过早。咫尺科学界主流的不雅点觉得，要终了真的实用化的量子讨论机，需要按照“三步走”的发展计谋，即：考证量子讨论的优胜性、在噪声环境下的中等畛域量子讨论（NISQ），以及不错通用化的量子讨论。

刻下，东说念主类依然完成“三步走”计谋中的第一步——考证量子讨论的优胜性，况兼依然在“量子纠错”领域迈出了坚实的一步，概况沿着“三步走”计谋陆续稳步前行。

在可意料的将来，咱们在完成“三步走”计谋之后，量子讨论机将不单是不错用于特定算法问题的求解，还将为新质出产力提供重大的算力复旧，终了讨论智力的跳跃式发展。

参考文件

[1]Cirac J I， Zoller P. Quantum computations with cold trapped ions[J]. Physical review letters， 1995， 74(20): 4091.

[2]Kielpinski D， Monroe C， Wineland D J. Architecture for a large-scale ion-trap quantum computer[J]. Nature， 2002， 417(6890): 709-711.

[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.

操办制作

出品丨科普中国

作家丨栾春阳 国防科技大学理学院，吴伟 国防科技大学理学院，王雨桐 清华大学物理学博士

监制丨中国科普博览

责编丨董娜娜

审校丨徐来 林林