你这量子比特保真吗？离子阱量子计算的优势与挑战

最近有一些关于离子阱量子计算和量子纠错的科技新闻，比如Quantinuum公司有两个引人注目的进展。首先，他们在编码的逻辑比特上实现了逻辑比特的贝尔态制备，同时也实现了容错的盈亏平衡（即Break Even点）。其次，他们在网站上公布了对系统标定的一些数据，实现了大规模离子系统里平均的双比特门的保真度达到99.9%，单比特保真度则达到了99.99%。本期“唠科实验室”，我们就来聊聊离子阱量子计算。

本期嘉宾：汪野（合肥国家实验室研究员），张颉颃（中国科学技术大学教授）

特邀主持：王一（香港科技大学副教授）

什么是离子阱？

张颉颃：离子阱是一种囚禁离子的方式。所谓离子就是一个带电荷的原子。我们使用电场或者磁场来囚禁住这个带电原子。而离子阱能用于量子计算，主要出于两个原因：第一，原子本身就是很好的量子比特。例如，我们现在使用铯原子的超精细结构能级，凭借其本身非常精确的跃迁，可以制造原子钟。接下来，我们使用电场、电磁场或者微波场，甚至光场去操控原子跃迁，从而更加精密地定义时间以及频率标准。与此同时，也可以用来编码量子比特。

有了这样的量子比特，我们就可以让不同的量子比特相互作用。接下来，我们需要把离子内部状态的信息，即其电子态信息通过光耦合传输到外部状态去，比如离子振动态。如此一来，不同带电离子之间发生库仑相互作用，将量子信息传递到其他比特。

整个过程类似于我们说话的过程，比如两个人面对面讲话，发出的声音激发空气振动，声波通过空气传播到对方的耳朵里，大脑接受并处理声波信息，最后转变成听到的话语。到了量子层面也类似于此，我们控制带电粒子，让它们之间产生相互作用。

保真度、纠错与盈亏平衡

张颉颃： 离子可以达到极高的精度。根据最近的新闻报告，20个离子里面平均保真度就能达到99.9%。也就说，计算1000次，只会错1次。听上去很美好，但与我们经典计算机的精度相比还是差了很多数量级，我们经典CPU的错误率是10 -15 。 具体来说，经典计算机大概几个G赫兹，可能运算两周才会发生一次黑屏。 如果按目前量子计算1000次就会发生一次错误，那我们时时刻刻会黑屏。 所以，保真度是量子计算非常重要的指标之一，而离子阱实现高保真度指标的能力是最强大的。 不过保真度也不是唯一的指标。

汪野： 关于离子阱的保真度和量子纠错之间的关联。纠错简单来说就是利用一些冗余空间或信息量去编码，使得一些错误能够通过编码被消除掉。比如重复编码方法，以线上通话为例，如果突然信号不好，对方听不清楚我说的话，最简单的方法就是让我重复一次，但如果我重复两次，对方就有更大的概率获取我这句话的信息。因此，如果我说的话越不清楚，我需要重复的遍数就越多，你才能最终获取到正确信息。但如果通话质量极高，我只需要说一遍，对方就能获取到信息了。在这里，通话质量对应的便是量子计算中的保真度，或操控精度。

对于离子阱体系来说，它的精度很高，为了实现同样效率的信息处理精度，或者说通话信息传递的效率，需要重复的次数就比其他系统更少，从而消耗的物理比特也更少，效率上就获得了一定优势：少量的量子比特就能实现纠错的盈亏平衡。

张颉颃： 简单来说，如果没达到盈亏平衡，就会越纠越错，如果达到平衡了，纠正之后错误率就更低了。

汪野： 参考经典计算机的发展历史，实现量子纠错盈亏平衡相当于现代信息中实现首个晶体管的成果，也就是为未来制造大型量子计算机提供了基石般技术。

在晶体管出现之前，科学家也使用真空电子管制造出非常多的电子计算机，当时甚至可以替代人类计算导弹轨道、做出很多计算预测。

1947年贝尔实验室制造出首个晶体管，随后集成电路的出现，一直到智能手机、电脑的运算能力已经可以完成很多之前想不到的工作，实际上整个发展只经过了六七十年。第一个晶体管出现时，哪怕体积很大、很脆弱，信号放大能力也不是很强大，至少提供了技术的证明，意义非常重要。

▲ 威廉·肖克利，晶体管之父

王一： 这个对比特别精准，经典计算机从一开始也并非拥有非常高的保真度，再往前回溯，电子管、晶体管还没有出现，我们还是用继电器的时候，一运行就会出漏洞，并且是真正切切地卡BUG，比如有蛾子、虫子卡到继电器上，导致继电器关不上。

操控量子比特

张颉颃：包括离子阱在内的量子计算平台目前面临的挑战在于，我们需要在高保真度的情况下操控更多的量子比特。但当我们控制量子数据的时候，这些信号都是极其微小的。而我们不仅要能精确地控制一两个甚至几十个量子比特，还要把精确控制扩展到成千上万个量子比特。离子阱的挑战性就在于这个系统还要集成光和电，技术方面难度比较大。

王一：薛定谔曾在上世纪五十年代说过，我们无法想象能操控单个原子。

张颉颃：大卫·维因兰德（David Wineland）在美国国家标准与技术研究院（原名美国国家标准局）时一直在做非常前沿的囚禁离子、量子操控研究，他在2012年获得诺贝尔奖的时候就引用过薛定谔的这句话。

▲ 大卫·维因兰德

然而,大卫·维因兰德证明事实并非如此，上世纪七八十年代他已在操控单个电子，后来他能操控单个离子、做激光制冷，还有很多先驱性、里程碑式的研究工作。

即使像薛定谔这样科学巨匠，他的科学认知也可能在20年内就被颠覆掉，科学发展速度其实很快。

王一：科学发展非常需要前瞻性，比如爱因斯坦，他提出了引力透镜效应，但他也说过这个效应你未来肯定看不到。如今我们不仅能看到引力透镜效应，而且还成为了研究宇宙的重要途径。所以，量子计算也会如此，很多技术、对实验拥有很大挑战性的事情都与此类似。只要有人真得敢去实践，那就很可能成为新领域的开创者。

▲ 引力透镜示意图

张颉颃：我们在短期内总是容易高估某一事物的发展，比如科学或者技术发展的速度，但长期来看，再过二三十年可能会陷入低谷，发现情况完全不是我们原来所想象的。

汪野：我觉得包括爱因斯坦在内，他肯定相信引力透镜效应的存在，但他低估了人类工程技术的能力，认为短时期内我们无法探测到。

而且我觉得大部分科学家预言的做不到，其实都是低估了人类工程技术能力。量子计算也是如此，从原理上来看，我们似乎没有看到任何硬性壁垒导致我们无法成功，但它的工程技术难度确实非常高，所以很多人可能会比较悲观一点，认为短期内无法实现很有用的量子计算。这可能因为我们一贯低估人类工程技术能力的惯性思维。

第二，我觉得技术路径或者方案的发展其实很随机，对于从事某一方向的科学家，他各方面能力很强，运气有很好，就可能突然把这一领域的研究推到很前沿，然后就能获得很多资源进行扩大生产，实现商业化。在如今量子计算“百家争鸣”的过程中，目前发展现状反而非常依赖于科学家个人素质，包括运气、经历和资源等各方面，会造就天差地别的结果。但技术路径又是很随机的，我相信哪怕可能会走一些弯路，但最终应该还是会遵循科学发展的客观规律。

如果你想从事离子阱量子计算的研究

张颉颃：从专业知识方面来说，无论做怎样的量子计算系统，首先肯定需要学习量子力学，然后需要学习最相关的原子分子知识，能够解释原子的性质，这也是量子力学发展的基石。在充分理解原子性质的基础上才能真材实料地建造量子计算机。还有一个重要的知识领域是光学，包括二能级系统、电磁场、光量子之间的相互作用等相关知识。

汪野：量子信息其实是一门交叉学科，不仅需要非常扎实的物理知识，还需要很多信息学的知识，甚至其他学科知识。我建议同学们进入交叉领域做研究的话，首先一定先打好扎实的根基，明确自己所立足的出发点，是信息学出发点还是物理学出发点，随后才能在交叉学科中培养出自己的研究视角和兴趣，最终才能做出令自己满意的科研成果。

当我与不同人在讨论的时候，我发现大家所关心的问题和视角各有差异，但这样反而能激发出很多创新观点。当然，一个重要前提是对自己的专业领域有扎实的理解，才能参与讨论，不然很容易浮于表面，并不利于科研的进一步展开。

张颉颃：我在美国、加拿大学习工作了12年多，我觉得大家每天都在开脑洞，氛围特别好，因为我们在做科学最关键的研究，站在人类知识的边缘，大家很多人在一起，朝着没人知道的方向继续向前踏出一步，就像电影《盗梦空间》里面的情节。大家都非常聪明，每天一起想新点子，是一种非常让人享受的状态，这样的环境能够培养出很多有趣的科学家，产生很多有意思的想法。

▲ 《盗梦空间》

汪野：我完全同意，科学兴趣和发散性想法，是实现科研创新或颠覆性科学的重要因素。很多时候理论上可行的科学观点可能在工程实践方面难度很高，那就需要勇气愿意在自己的科研生涯中花更多的时间去冒险实践一项大家都不看好、难度极高的研究。

如果研究人员拥有足够的勇气和兴趣，那终会出现成功开创并引领科研新方向的开拓者。

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