提到量子计算，我们首先想到的大名鼎鼎的超导量子计算系统。早在1995年，物理学家伊格纳西奥·西拉克（Ignacio Cirac）就提出了一种创新的方法，即利用稳定囚禁的离子来实现量子逻辑门的操作，进而构建量子计算系统，这被称为离子阱量子计算。
目前，离子阱量子计算与超导量子计算一起，被认为是有望实现真正实用化的量子计算的两种主流方案。顾名思义，离子阱量子计算就是将离子稳定地囚禁在一个特定的势阱中，使其能够编码并参与量子计算。因此，离子和势阱是该系统最核心的两个要素，它们也是理解离子阱量子计算工作原理的关键。
正是凭借着优异的性能表现，离子阱量子计算芯片的研究受到了美国国家核安全局下属的桑迪亚（Sandia）国家实验室的持续投入。早在2010年，桑迪亚国家实验室制备和测试了第一款离子阱量子计算芯片，并且成功实现了40Ca+的囚禁；随后在2016年，桑迪亚国家实验室研制出新一代的离子阱量子计算芯片HOA-2.0，可以稳定囚禁离子超过100小时；在2020年，该实验室推出了电极结构更加复杂的离子阱量子计算芯片PhoenixandPeregrine，具备更优异的离子输运性能。
离子阱量子计算的优势
相较于冲锋在前的超导量子计算系统，离子阱量子计算系统具有许多独有的性能优势，被认为是量子计算前沿研究中的得分王，这表现在以下三个方面：
- 超高保真度：离子被稳定囚禁在超高真空的腔体内，能够有效地隔绝外界环境的干扰，并且能在激光场的驱动下实现特定的量子操控。目前，离子阱量子计算系统分别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%）的世界记录；
- 全连接信息交互：得益于囚禁离子间的长程相互作用，同一离子链中的不同离子在激光场的驱动下，能够实现彼此之间全连接的信息交互，从而极大地提升了并行算力；
- 超长相干时间：采用特定的动态方案和协同冷却技术，离子量子比特的量子特性能够有效地与环境解耦，目前已经创下最长的单量子比特相干时间（5500秒）。
2023年12月，全球最大的离子阱量子计算公司IonQ同样采用上述QCCD方案，推出了具备32个离子量子比特的H2离子阱芯片，并且实现了平均保真度99.997%的单比特量子逻辑门，进一步展现了离子阱量子计算的巨大潜力。
结语
离子阱量子计算系统虽然低调，但实力不容小觑。其超高保真度、全连接信息交互和超长相干时间等独特优势，使其成为量子计算前沿研究中一颗冉冉升起的明星。随着离子阱量子计算芯片技术的不断发展，该系统有望在解决现实世界中的复杂问题方面发挥越来越重要的作用。
发表评论