澳门六合彩票网站 若何让量子贪图愈加精确高效? 答: 把离子“囚禁”起来
提到量子贪图，咱们领先预见的即是大名鼎鼎的超导量子贪图系统。可是，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）就冷漠了一种立异的技艺，即欺骗踏实“囚禁”的离子来完毕量子逻辑门的操作，进而构建量子贪图系统，这被称为“离子阱量子贪图”。
面前，离子阱量子贪图与超导量子贪图一谈，被以为是有望完毕的真实用化的量子贪图的两种主流决议。
顾名想义，“离子阱量子贪图”即是将离子踏实地“囚禁”在一个特定的势阱中，使其大约编码量子比特并参与量子贪图。因此，“离子”和“势阱”是该系统最中枢的两个身分，它们亦然交融“离子阱量子贪图”责任旨趣的转折。
踏实“囚禁”在势阱中的离子暗意图。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疏导电场。图片起原：作家画图
那么，科学家们为什么要选拔“囚禁”离子呢？离子阱量子贪图系统又领有哪些突出的上风，使其大约与超导量子贪图系统比肩，成为完毕量子贪图的两大主流技巧之一呢？
让咱们带着这些疑问，一谈真切了解这个固然低调但实力不凡的离子阱量子贪图系统吧！
小小的“身段”，大大的智商
——离子量子比特
骨子上，离子是带有电荷的原子，因此它们里面当然存在踏实的能级结构。欺骗这一特质，科学家们不错选拔离子里面的两个特定能级，将它们编码成一个性能踏实的二能级系统，也即是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景色标记为 |1⟩ 态，而将能量较低的景色标记为 |0⟩ 态。由于离子里面能级之间的跃迁遵命量子力学的概精真金不怕火旨趣，单个离子的能量景色不错同期处于 |1⟩ 态和 |0⟩ 态的重叠景色，使其大约行动离子量子比特参与量子贪图机的并走运算。
进一步来说，若是咱们能在离子阱系统中踏实“囚禁” N 个离子，表面上就不错编码 N 个落寞的离子量子比特。在特定的激光光场和微波场的精确末端下，这些离子量子比特大约进行 2 的 N 次方的并行量子运算，展现出量子贪图机弘远的并行处分智商。
含有18个171Yb+离子的离子链。图片起原：作家提供
在真切探讨离子阱量子贪图系统时，咱们不得不提到其朝着领域化和集成化认识发展的一个蹙迫里程碑——基于离子阱量子贪图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，离子阱量子贪图芯片被联想成领有多个空间功能区域，这些区域通过逶迤复合电场来完毕离子在不同功能区域之间的精确输运。这些区域差异承担着量子比特的存储、逻辑门操作、量子态测量等转折任务。通过这些操作的有机组合，QCCD 决议大约确保每次量子操作的保真度不会因为总离子数的增多而镌汰，这是完毕大领域通用量子贪图的转折处所。
基于离子阱量子贪图芯片的离子输运决议（QCCD决议）的暗意图。
恰是凭借着优异的性能进展，离子阱量子贪图芯片的参议受到了好意思国国度核安全局下属的桑迪亚（Sandia）国度推行室的握续插足。早在 2010 年，桑迪亚国度推行室制备和测试了第一款离子阱量子贪图芯片，况且告成完毕了 40Ca+ 的“囚禁”；随后在 2016 年，桑迪亚国度推行室研制出新一代的离子阱量子贪图芯片“HOA-2.0”，不错踏实“囚禁”离子卓越 100 小时；在 2020 年，该推行室推出了电极结构愈加复杂的离子阱量子贪图芯片“Phoenix and Peregrine”，具备更优异的离子输运性能。
量子贪图中的“得分王”
——离子阱量子贪图
相较于冲锋在前的超导量子贪图系统，离子阱量子贪图系统具有很多独到的性能上风，被以为是量子贪图前沿参议中的“得分王”，这表面前以下三个方面：
1
较低的虚假率
离子被踏实“囚禁”在超高真空的腔体内，大约灵验地终结外界环境的骚扰，况且能在激光场的开动下完毕特定的“量子操控”。面前，离子阱量子贪图系统差异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%）的寰宇记录；
2
高度的互联性
获利于“囚禁”离子间的库伦长程互相作用，归并离子链中的不同离子在激光场的开动下，大约完毕相互之间全链接的信圮绝互，从而极地面升迁了并行算力；
3
超长的退干系时刻
选定特定的动态解耦决议和协同冷却技巧，离子量子比特的量子特质大约灵验地与环境解耦，面前还是创下最长的单量子比特干系时刻（5500秒）。
2023 年 12 月，巨匠最大的离子阱量子贪图公司 (Quantinuum)相同选定上述 QCCD 决议，推出了具备 32 个离子量子比特的 “H2” 离子阱芯片，况且完毕了平均保真度 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，勾引了科学界的庸俗见谅。
2024 年 6 月，该公司推出了全新升级的离子阱量子贪图芯片 “H2-1”，况且拓展至 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”临界值的商用量子贪图机。
离子阱量子贪图公司Quantinuum发布的离子阱芯片。图片起原：Quantinuum
相较于专注单一认识的超导量子贪图系统，行动“得分王”的离子阱量子贪图系统则愈加小心量子算力的全体升迁。
经常而言，量子贪图机的全体算力需要从量子比特数量、量子比特的链接性以及量子纠缠门的保真度这三个方面来详尽磋商，而“量子体积（QV）”即是详尽这三个方面的转折认识。量子体积越大，量子贪图机就具有更弘远的全体算力，面前离子阱量子贪图体系还是达到 2 的 20 次方，成为面前寰宇上量子体积最大的量子贪图系统。
Quantinuum的量子体积（QV）达到了新的寰宇记录（2的20次方）。
离子阱芯片的国内发展
早在 2014 年，来自国防科技大学的参议团队就联想出洋内第一款离子阱芯片，完毕了干系专科东谈主才的培养和储备；在 2016 年，该参议团队在早期的离子阱芯片中，告成完毕了 38 个一维 40Ca+离子链的“囚禁”。
在第一代离子阱芯片的参议基础上，该参议团队接踵研制了第二代和第三代离子阱芯片，况且完毕了 20 个离子的量子干系操控，同期演示了“量子-经典”混划算法。
国防科技大学研制告成的三代离子阱芯片的暗意图。
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除此除外，我国在离子阱芯片的参议团队还包括清华大学、中国科学技巧大学以及南边科技大学等单元，面前我国在离子阱芯片的全体参议水平处于国外前哨，但是与国外顶尖参议团队比较仍然存在 5-8 年的参议代差。
量子贪图的将来预测
量子贪图的发展固然尽头马上，但仍然处于起步阶段，面前料定哪种技巧道路会胜出还为时过早。面前科学界主流的不雅点以为，要完毕的真实用化的量子贪图机，需要按照“三步走”的发展政策，即：考证量子贪图的优厚性、在噪声环境下的中等领域量子贪图（NISQ），以及不错通用化的量子贪图。
现时，东谈主类还是完成“三步走”政策中的第一步——考证量子贪图的优厚性，况且还是在“量子纠错”领域迈出了坚实的一步，大约沿着“三步走”政策不息稳步前行。
在可料想的将来，咱们在完成“三步走”政策之后，量子贪图机将不单是不错用于特定算法问题的求解，还将为新质分娩力提供弘远的算力支握，完毕贪图智商的逾越式发展。
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.
谋划制作
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 林林澳门六合彩票网站