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標題: 如何讓量子計算更加精準高效﹖ [打印本頁]

作者: jiunn36 時間: 2025-1-10 03:32 PM 標題: 如何讓量子計算更加精準高效﹖

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　　提到量子計算﹐我們首先想到的就是大名鼎鼎的超導量子計算系統。然而﹐早在1995年物理學家伊格納西奧·西拉克(Ignacio Cirac)和彼得·佐勒(Peter Zoller)就提出了一種創新的方法﹐即利用穩定「囚禁」的離子來實現量子邏輯門的操作﹐進而構建量子計算系統﹐這被稱為「離子阱量子計算」。
　　目前﹐離子阱量子計算與超導量子計算一起被認為是有望實現真正實用化的量子計算的兩種主流方案。顧名思義﹐「離子阱量子計算」就是將離子穩定地「囚禁」在一個特定的勢阱中﹐使其能夠編碼量子比特並參與量子計算。因此﹐「離子」和「勢阱」是該系統最核心的兩個要素﹐它們也是理解「離子阱量子計算」工作原理的關鍵。
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上圖每個白色圓點代表單個離子﹐軸向的黃色箭頭代表直流電場﹐交變的綠色箭頭代表交流電場。
　　那麼﹐科學家們為什麼要選擇「囚禁」離子呢﹖離子阱量子計算系統又擁有哪些獨特的優勢﹐使其能夠與超導量子計算系統並列﹐成為實現量子計算的兩大主流技術之一呢﹖
　　讓我們帶著這些疑問﹐一起深入瞭解這個雖然低調但實力非凡的離子阱量子計算系統吧！
　　實際上﹐離子是帶有電荷的原子﹐因此它們內部自然存在穩定的能級結構。利用這一特性﹐科學家們可以選擇離子內部的兩個特定能級﹐將它們編碼成一個性能穩定的二能級系統﹐也就是我們所說的量子比特。對於單個「囚禁」離子中的二能級系統﹐我們可以將能量較高的狀態標記為 |1⟩ 態﹐而將能量較低的狀態標記為 |0⟩ 態。由於離子內部能級之間的躍遷遵循量子力學的概率性原理﹐單個離子的能量狀態可以同時處於 |1⟩ 態和 |0⟩ 態的疊加狀態﹐使其能夠作為離子量子比特參與量子計算機的並行運算。進一步來說﹐如果我們能在離子阱系統中穩定「囚禁」 N 個離子﹐理論上就可以編碼 N 個獨立的離子量子比特。在特定的激光光場和微波場的精確控制下﹐這些離子量子比特能夠進行 2 的 N 次方的並行量子運算﹐展現出量子計算機強大的並行處理能力。
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　　在深入探討離子阱量子計算系統時﹐我們不得不提到其朝著規模化和集成化方向發展的一個重要里程碑﹕基於離子阱量子計算芯片的離子輸運方案﹐這一方案也被稱作 QCCD(Quantum Charge-Coupled Device)方案。具體來說﹐離子阱量子計算芯片被設計成擁有多個空間功能區域﹐這些區域通過調節復合電場來實現離子在不同功能區域之間的精確輸運。這些區域分別承擔著量子比特的存儲﹑邏輯門操作﹑量子態測量等關鍵任務。通過這些操作的有機組合﹐QCCD 方案能夠確保每次量子操作的保真度不會因為總離子數的增加而降低﹐這是實現大規模通用量子計算的關鍵所在。
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　　正是憑藉著優異的性能表現﹐離子阱量子計算芯片的研究受到了美國國家核安全局下屬的桑迪亞(Sandia)國家實驗室的持續投入。早在2010年桑迪亞國家實驗室制備和測試了第一款離子阱量子計算芯片﹐並且成功實現了 40Ca+ 的「囚禁」﹔隨後在2016年桑迪亞國家實驗室研製出新一代的離子阱量子計算芯片「HOA-2.0」﹐可以穩定「囚禁」離子超過100小時﹔在2020年該實驗室推出了電極結構更加複雜的離子阱量子計算芯片「Phoenix and Peregrine」﹐具備更優異的離子輸運性能。相較於衝鋒在前的超導量子計算系統﹐離子阱量子計算系統具有許多獨有的性能優勢﹐被認為是量子計算前沿研究中的「得分王」﹐這表現在以下三個方面﹕
　　1.較低的錯誤率。離子被穩定「囚禁」在超高真空的腔體內能夠有效地隔絕外界環境的干擾﹐並且能在激光場的驅動下實現特定的「量子操控」。目前﹐離子阱量子計算系統分別創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.高度的互聯性。得益於「囚禁」離子間的庫倫長程相互作用﹐同一離子鏈中的不同離子在激光場的驅動下﹐能夠實現彼此之間全連接的信息交互﹐從而極大地提升了並行算力﹔
　　3.超長的退相干時間。採用特定的動態解耦方案和協同冷卻技術﹐離子量子比特的量子特性能夠有效地與環境解耦﹐目前已經創下最長的單量子比特相干時間(5500秒)。
　　2023年12月全球最大的離子阱量子計算公司(Quantinuum)同樣採用上述QCCD方案﹐推出了具備32個離子量子比特的「H2」離子阱芯片﹐並且實現了平均保真度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﹐吸引了科學界的廣泛關注。2024年6月該公司推出了全新升級的離子阱量子計算芯片「H2-1」﹐並且拓展至56個離子量子比特﹐其雙量子比特門保真度更是高達99.914%﹐成為首台達到「三個九」臨界值的商用量子計算機。
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　　相較於專注單一指標的超導量子計算系統﹐作為「得分王」的離子阱量子計算系統則更加注重量子算力的整體提升。通常而言﹐量子計算機的整體算力需要從量子比特數目﹑量子比特的連接性以及量子糾纏門的保真度這三個方面來綜合考慮﹐而「量子體積(QV)」就是綜合這三個方面的關鍵指標。量子體積越大﹐量子計算機就具有更強大的整體算力﹐目前離子阱量子計算體系已經達到2的20次方﹐成為目前世界上量子體積最大的量子計算系統。
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　　早在2014年來自國防科技大學的研究團隊就設計出國內第一款離子阱芯片﹐實現了相關專業人才的培養和儲備﹔在2016年該研究團隊在早期的離子阱芯片中成功實現了38個一維40Ca+離子鏈的「囚禁」。在第一代離子阱芯片的研究基礎上﹐該研究團隊相繼研製了第二代和第三代離子阱芯片﹐並且實現了20個離子的量子相干操控﹐同時演示了「量子-經典」混合算法。
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　　除此之外﹐中國在離子阱芯片的研究團隊還包括清華大學﹑中國科學技術大學以及南方科技大學等單位﹐目前在離子阱芯片的整體研究水平處於國際前列﹐但是與國際頂尖研究團隊相比仍然存在5~8年的研究代差。
　　量子計算的發展雖然十分迅速﹐但仍然處於起步階段﹐現在斷定哪種技術路線會勝出還為時過早。目前科學界主流的觀點認為實現真正實用化的量子計算機﹐需要按照「三步走」的發展戰略﹐即﹕驗證量子計算的優越性﹑在噪聲環境下的中等規模量子計算(NISQ)﹐以及可以通用化的量子計算。
　　當前﹐人類已經完成「三步走」戰略中的驗證量子計算的優越性並且已經在「量子糾錯」領域邁出了堅實的一步﹐能夠沿著「三步走」戰略繼續穩步前行。在可預見的將來﹐我們在完成「三步走」戰略之後﹐量子計算機將不僅僅可以用於特定算法問題的求解﹐還將為新質生產力提供強大的算力支撐﹐實現計算能力的跨越式發展。

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