2022离子阱量子计算：稳步进击的优等生

（原标题：2022离子阱量子计算：稳步进击的优等生）

2022年量子计算频繁“刷屏”,从各国陆续推出支持政策,到量子计算企业发布新品获得融资,从“量子优越性”里程碑的多次实现,再到诺贝尔物理学奖花落量子信息技术,量子计算正快速走进大众视野。

目前全球量子计算公司已超100家,呈现出蓬勃发展态势,量子比特数量的不断增长,量子体积数据屡创新高,量子计算相关软硬件也皆有发展,量子计算在金融、制药、化工、汽车、航空、气象、密码安全等领域均展现出独特优势,并陆续产生了实际应用解决方案。

优等生离子阱

目前,量子计算的技术路线“百花齐放”,离子阱、超导、半导体、光量子等路线“争奇斗艳”,离子阱路线更是其中的佼佼者。

离子阱是利用电荷与电磁场间的交互作用力牵制带电粒子运动,并利用囚禁离子的基态和激发态组成的两个能级作为量子比特,利用微波激光照射操纵量子态,通过连续泵浦光和态相关荧光实现量子比特的初始化和探测。

离子阱技术路线由于量子比特相干时间长、量子比特之间的连接性好、逻辑门操作保真度高等特点备受业界关注,已成为通用量子计算机发展中的领先路线之一。

稳步进击 多方角逐

从1959年德国物理学家Hans Dehmelt发明带电粒子囚禁技术至今,学术界对离子阱的研究一直持续,产业界近几年也有越来越多的企业入局,这些企业主要包括美国的IonQ和Quantinunm、中国的启科量子以及英国的UQ(Universal Quantum)等。2022年,来自这三个国家的四家离子阱量子计算企业也都有不俗表现。

无惧质疑的IONQ

2022年5月,蝎子资本发布了一份长达183页的关于IonQ的做空报告,并列举了IonQ的“十七宗罪”,但IonQ无惧质疑,在技术创新、学术研发和行业应用方面都交了满意的答卷。

在技术创新方面,IonQ在2月份推出了新一代IonQ Aria系统,实现了创纪录的20个算法量子比特;5月份发布其最新一代的量子系统IonQ Forte;8月份推出具有23个算法量子比特的IonQ Aria系统。

在学术研发方面,IonQ与杜克大学合作开发了一种强大的新方法来执行多量子比特纠缠门,该方法“可以大大简化量子电路结构,加快其执行速度,并提高量子计算机系统应对退相干的能力。”

在应用领域方面,IonQ重点关注汽车、航空和金融等领域。2022年,IonQ与现代汽车官宣了三场合作,分别是1月份合作运用量子计算来模拟锂电池化学反应,推动电动汽车的电池创新;4月份将量子机器学习应用到未来交通工具的图像分类和3D物体检测技术;12月份合作研发基于IonQ量子计算机机器视觉算法的技术,该算法能够根据自动驾驶车辆的三维数据探测物体。

除了现代汽车外,IonQ还与空中客车就量子飞机装载优化和量子机器学习项目达成合作,以索量子计算在航空航天服务和乘客体验方面的潜在应用和优势;与美国通用电气公司创新中心(GE Research)合作,在探索量子计算应用于风险管理中的多变量分布建模的合作项目中,取得了可喜的初步成果等等。

一骑绝尘的Quantinuum

Quantinuum在2022年取得了多个里程碑式成果。

一是创下量子体积记录。4月份,Quantinuum 的System Model H1-2成为全球首台量子体积达到4096的商用量子计算机;9月份,其System Model H1-1量子系统创下了量子体积的新记录达到了8192,这是该公司H系列硬件在两年内第7次创下量子体积的行业记录。

二是实现不同类型的离子移动。Quantinuum发布了一项研究成果,通过表面阱中的一个结可以实现两种不同类型的离子移动,这个结是位于离子量子计算机核心的微型电极填充设备。Quantinuum研究人员在其论文中概述了他们如何开发新的波形,这些波形可以引导一对镱和钡离子通过交叉点,而带电粒子不会过度活跃或飞出陷阱,这一发现是离子阱量子计算领域和 Quantinuum 的重要突破。

三是证明逻辑量子比特性能优于物理量子比特。Quantinuum通过在一个使用实时量子纠错的容错电路中纠缠逻辑量子比特,取得了重要里程碑,首次演示了在两个逻辑量子比特之间的纠缠门,并以完全容错的方式使用实时纠错完成;首次演示了比相应物理电路具有更高保真度的逻辑纠缠电路。

同时,System Model H1-1实现了20个完全连接的量子比特,摩根大通的研究人员通过升级后的H1-1,证明了迄今为止最大的量子优化算法的执行。

在专注研发的同时,Quantinuum也在扩充自己的朋友圈。2022年Quantinuum与法国能源巨头道达尔能源(TotalEnergies)合作,详述了量子计算机在减缓气候变化方面的潜在用途;与IBM达成协议,扩展IBM量子中心,为客户提供更多访问IBM量子计算系统的机会,推动和发展量子生态系统;与三井物产株式会社合作,在日本和亚太地区合作提供量子计算服务;还在11月份与伦敦大学学院(UCL)和英国广播公司(BBC)组成了一个联盟,以探索量子自然语言处理(QNLP)和量子启发的自然语言处理的工业相关性等。

稳步前进的启科量子

启科量子是亚洲首家以离子阱量子计算为核心的量子信息技术公司,专注于量子计算机全栈式开发和量子通信设备制造,2022年在量子计算软硬件方面都有新突破。

硬件方面,启科量子在2022年陆续推出了国内首套具有自主知识产权的ARTIQ架构量子测控系统、低温离子阱模块化封装产品、工程化离子阱低温真空系统等系列产品;在量子软件方面,启科量子率先将量子计算与PKS信创体系融合,在量子金融应用方面已取得不错的成果。

2022年启科量子还推出了自主研发了离子阱全系列教学模拟机,用于模拟离子阱量子计算机并演示器部分功能,针对不同应用环境推出教学版、科普版以及科研版三款产品。

在学术研究方面,启科量子首席科学家、中山大学罗乐教授带领的研究团队发表了《离子阱中以声子为媒介的多体量子纠缠与逻辑门》。文章分析了离子阱中以声子为媒介的多体量子纠缠和量子逻辑门的关键技术,揭示了利用激光场驱动离子链运动态,通过非线性相互作用,来实现囚禁离子量子逻辑门的基本物理过程。

除了启科量子外,清华大学物理系金奇奂教授团队,在基于混合离子阱系统下首次演示了量子互文性无漏洞测试;台湾鸿海研究院在2021年底成立了“离子阱实验室”,2022年该实验室展示了量子模拟在电池开发上的研究成果,大大缩减了所需的量子资源。

拿下大单的UQ

英国的离子阱量子公司UQ在2022年一举签下了6700万欧元的合同,为德国航空航天中心(DLR)开发和建造离子阱量子计算机,这是由德国经济部创立的德国量子计算倡议的一部分。

在该合同的第二部分,UQ将朝着100量子比特可扩展量子计算机的方向发展。这涉及到UQ开发的新技术,该技术允许量子处理器以模块化的方式组合在一起,从而快速增加量子比特数量。

攻城略地 扩大阵营

2022年,以色列和德国也加入离子阱量子计算的阵营。

以色列创新署(IIA)和国防部宣布投资约6220万美元开发本国第一台量子计算机,用于学术界、高科技产业和安全机构的研发工作。随后魏茨曼科学研究所Roee Ozeri教授就带领团队,成功建造了以色列首台量子计算机,该离子阱量子计算机包含5个量子比特,这是未来1到2年内向64量子比特量子计算机迈出的重要一步。

德国航空航天中心(DLR)与eleQtron、NXP Semiconductors Germany、Parity Quantum Computing Germany、QUDORA Technologies 和 Universal Quantum Deutschl签署离子阱技术的研究合同,将在未来四年内建造离子阱原型量子计算机,该合同总额为2.085亿欧元,将分阶段推动,目标是在项目结束时实现50个量子比特的离子阱量子计算机。

优等生离子阱,2022年势头正劲,2023年也蓄势待发,期待离子阱路线能带来更多惊喜,推动通用量子计算机的研制。