2021年，离子阱量子计算机的里程碑之年

Original 光子盒研究院光子盒 2021-12-15

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光子盒研究院出品

2020年，离子阱量子计算机大放异彩，霍尼韦尔和IonQ在量子体积（QV）这一指标上领先全球，特别是后者突破400万量子体积。离子阱量子计算机由于连接性好、保真度高等特点越来越受到关注。

2021年，离子阱量子计算机将实现新的里程碑。1月26日，IonQ首席执行官Peter Chapman在Wired上撰文称，今年将首次演示模块化量子计算机。他在文中写道：“无论是哪种底层技术，为了实现规模，量子计算机都需要模块化和网络化。2021年，我们将看到这方面的首次展示。”

他表示，有两种有效的方法来制造更快、更强大的计算机。一是提高单个组件的性能，例如处理器的速度。二是模块化，增加组件数量，例如增加多个处理器。目前所有的超级计算机都采用了第二种方法。

同样的两种方法也适用于量子计算机。IonQ、IBM、Google和其他公司正在开发更大更好的量子处理器(QPUs)，相当于传统计算中的CPU。

但也有可能通过简单地建造更多的量子计算机并将其“联网”来实现规模化，就像我们今天在云上看到的那样。随着计算需求的增加，服务器的数量会不断增加来满足需求。如果你有一个100量子比特的QPU，而你的应用程序需要2000量子比特，这时候，你可以简单地将20个这样的QPU“联网”在一起，创建一个集群，作为一个更强大的量子计算机。

在经典计算中，模块化通常会导致某种性能损失，或者金钱和时间方面的额外开销。

但量子计算不存在这个问题。为了让多个量子计算机协同工作，就必须在QPU上纠缠量子比特。纠缠允许两个量子比特保持连接，这样在一个量子比特上执行的操作就会影响另一个量子比特，即使它们相隔很远。在量子比特纠缠之后，就不再关心量子比特的位置、距离或来源，这意味着在初始部署成本之后运行它们没有任何开销。

这种模块化量子计算机，IonQ计划在2021年通过离子阱量子计算机首次演示。根据IonQ路线图，到2023年，IonQ将部署模块化量子计算机，这些计算机足够小，可以在一个数据中心联网，到2025年，有望实现广泛的量子优势。

IonQ量子计算机的小型化

此前，IonQ还为未来量子计算机引入新的性能指标——算法量子比特（AQ），定义是一个典型的量子程序可以部署的最大数量的运行完美的量子比特。

AQ替代量子体积，是因为后者仅适用于早期量子计算机，随着量子计算机的发展，QV的数字长度甚至不能显示在屏幕上，导致这一指标不再有用。

比如，IonQ离子阱量子计算机在平均双量子比特门保真度99.9%以及纠错比例16:1（16个量子比特纠错1个）的情况下，22个AQ就相当于400万的QV。

在没有纠错编码的情况下，AQ = log₂(QV)，反之QV = 2^AQ。

根据路线图，2028年IonQ的算法量子比特预计达到1024个，对应的量子体积是2的1024次方，这是一个非常夸张的数字。

IonQ量子计算路线图

而在中国，也有离子阱量子计算机科研团队，前段时间，清华大学交叉信息院金奇奂研究组在离子阱系统中刷新单量子比特相干时间纪录（5500秒），金奇奂曾是美国马里兰大学Chris Monroe（IonQ创始人）研究组的博士后。

师出同门的罗乐，则在启科量子领导离子阱量子计算机的研究。据透露，启科量子的“天算1号”离子阱可扩展分布式量子计算机项目已经启动，这也是一种模块化量子计算机。第一阶段技术指标可达到100个可操控量子比特以上，该项目预计在2-3年内完成。

2021年，离子阱领域还有另一个重大消息——IonQ创始人、原马里兰大学教授Chris Monroe已经加入杜克大学，并领导该校的量子中心。

2020年11月，杜克大学宣布将在原有量子计算中心的基础上扩建1万英尺。新的杜克量子中心（DQC）将托管杜克的可扩展量子计算实验室（SQLab），该实验室是纠错通用可重构离子阱量子原型（EURIQA）的所在地。

该中心预计将于2021年3月进入运行状态，成为由美国能源部1.15亿美元资助的五个新的量子研究中心之一。该项目的最终目标是展示一个量子系统的原型，该系统在计算、物理和化学等领域取得了进展。

量子计算机使研究人员能够发现许多长期被忽视的问题，如天气系统模型的构建和金融市场的预测。

杜克大学的量子研究团队由电气和计算机工程系教授Jungsang Kim组建，他提出了离子捕获的光学方法，即“用电磁场将带电原子固定在适当的位置，并用激光操纵它们”。之后杜克大学推出了第一个量子信息实验室。

2015年，Jungsang Kim和Chris Monroe创办了IonQ公司。

杜克大学的量子团队其他创始成员包括量子信息理论家、电子与计算机工程系副教授Iman Marvian；电子与计算机工程系的教授Kenneth Brown。今年该团队加入了物理学家Marko Cetina；量子实验主义者Crystal Noel；以及Chris Monroe。

每个专家都擅长不同的领域。Kim长于量子光学；Cetina专注于离子阱和冷中性原子；Noel从事离子阱系统的研究。Monroe贡献了他关于对抗离子阱中噪声过程的知识，这种噪声会导致量子系统崩溃。

DQC致力于制造离子阱量子计算机。目前DQC的系统拥有20个量子比特，随着新中心的建设，团队将追求50个量子比特的系统，以及更小的外观。

该团队的研究领域包括量子纠错、离子捕获和新型光子器件。DQC做的研究和基础性工作已经引起了包括乔治亚理工学院和哈佛大学在内的高校的兴趣，使用SQLab来测试他们的研究想法。

Monroe表示，从长远来看，DQC希望加快量子计算技术从实验室向市场的转移，并提高其可访问性，最终目标是“将量子计算机直接交到用户手中”。

量子计算中心的主要价值在于它们能够解决复杂的优化问题，测试许多可能的解决方案，并最终收敛到一个答案。从这些应用中获益最大的领域包括人工智能、网络安全、化学、环境和金融系统。

参考文章：

[1]https://www.wired.co.uk/article/quantum-computers-networked-clusters

[2]https://www.dukechronicle.com/article/2021/01/duke-university-quantum-computer-research-black-hole-engineering-physics

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