离子阱技术突破限制，首个可重构多核量子计算架构诞生

Original Xinzai Li 量子客 2022-07-07

收录于合集 #IonQ 10个

量子计算公司IonQ[1]推出了一种新型芯片，在单个芯片上可扩展到数百个量子比特，以实现大规模量子计算机。

IonQ的量子计算机使用被电磁俘获在芯片附近空间中的离子的量子态进行计算。之前的离子阱处理器是使用硅芯片制造工艺制造的，但IonQ现在已经改用蒸发玻璃阱技术（Evaporated glass trap technology），一种在熔融石英玻璃中构建微米级特征的方法，通常用于制造微流控芯片。

图1 ｜IonQ量子计算机（来源IonQ）

1. 蒸发玻璃阱技术优点

IonQ表示，公司之前的离子阱技术无法支持 IonQ 的新量子架构，该架构基于多个基于离子的量子比特链。IonQ 高管表示，最终，玻璃芯片的可重构离子链将使计算机的量子比特数量达到三位数。

领导IonQ蒸发玻璃阱团队的Jason Amini说，离子阱的目的是精确地移动离子，将它们保持在环境中，并避开量子操作，团队构建的 3D 玻璃和金属结构在这三个方面都比以前的芯片更好。

硅基芯片上电荷产生的杂散电场可能会破坏离子微妙的量子态，从而降低量子计算的保真度。但蒸发玻璃阱设计‘隐藏了任何可以保持电荷的材料’，从而得到了一个更稳定的陷阱，实现更好的计算效果。

图2 ｜IonQ 的新型玻璃芯片可以容纳四组 64 个离子，总共有 32 个可用的量子比特

另一个优点是可以塑造陷阱以“避开”量子操作。在离子阱计算机中，离子的量子态是通过用激光照射它们来操纵的。研究人员必须在表面上放置大量激光束。而玻璃芯片的形状‘允许激光通过并寻址设备’。

IonQ 之前在新墨西哥州的桑迪亚国家实验室[2]建造了硅离子阱。但 IonQ 的首席执行官Peter Chapman表示，它希望对技术有更多的控制，并希望能够更快地迭代设计。

有了蒸发玻璃离子阱技术，IonQ 开始演示他们的新量子计算方案，Chapman称之为业界第一个“可重构多核量子架构”，或称为RMQA。

2. 可重构多核量子架构原理

在 IonQ 的演示中，陷阱将 16 个离子的四条独立链保持在一条线上。每条链都可以被移动到合适的位置，通过激光器操纵，以改变它们的量子状态，或将离子群纠缠在一起，使它们的量子状态联系起来，每条链本身就是一台量子计算机。

此外，可以将两条链组合在一起形成一个核心，允许跨链纠缠量子比特（重构部分），直到最终所有的量子比特都可以被连接起来，以执行大型复杂的量子操作。

然而，这并不完美。在16个离子中，有四个是“制冷剂”离子，用于校正离子传输过程中的缺陷。因此 IonQ 的最新演示产生了48个量子比特。但它很容易通过加长陷阱而实现扩展。而且，因为量子计算所遵循的量子力学的特殊性质，一旦稍微扩展，就会带来很大的增益，每增加一个量子比特都会显著增加更多的功能。

该架构可以相对轻松地在单个芯片上扩展到数百个量子比特。

Chapman表示，下一个重大飞跃将来自 IonQ 正在开发的用于将一个芯片上的量子比特与另一个芯片上的光子互连。量子比特之间一旦发生纠缠，距离就不再重要，无论是一个芯片上的多个链还是一个芯片到另一个芯片，它都像一台大型量子计算机一样。