量子计算的精准与效率提升 通过离子囚禁实现突破 (量子计算的精准度)

前言

说到量子计算，我们首先想到的就是大名鼎囚禁在一个特定的区域内。这种囚禁方式可以有效地隔离离子与外界环境的相互作用，确保其量子态的稳定性。

离子量子比特

对于单个囚禁离子中的二能级系统，我们可以将能量较高的状态标记为|1⟩态，而将能量较低的状态标记为|0⟩态。由于离子内部能级之间的遵循的概率性原理，单个离子的能量状态可以同时处于|1⟩态和|0⟩态的，使其能够作为离子量子比特参与并行运算。 进一步来说，如果我们能在离子阱系统中稳定囚禁N个离子，理论上就可以编码N个独立的离子量子比特。在特定的激光光场和微波场的精确控制下，这些离子量子比特能够进行2的N次方的并行量子运算，展现出量子计算机强大的并行处理能力。

离子输运方案（QCCD方案）

在深入探讨离子阱量子计算系统时，我们不得不提到其朝着规模化和集成化方向发展的一个重要里程碑——基于离子阱量子计算芯片的离子输运方案，这一方案也被称作QCCD。 离子阱量子计算芯片被设计成拥有多个空间功能区域，这些区域通过调节复合电场来实现离子在不同功能区域之间的精确输运。这些区域分别承担着量子比特的存储、操作、测量等关键任务。通过这些操作的有机组合，QCCD方案能够确保每次量子操作的保真度不会因为总离子数的增加而降低，这是实现大规模通用量子计算的关键所在。

离子阱量子计算芯片研究进展

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国家实验室的持续投入。 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。 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。 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。 强相互作用：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。 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）。

行业动态

2023年12月，全球最大的离子阱量子计算公司ColdQuanta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。

总结

离子阱量子计算系统凭借其超高保真度、强相互作用、长相干时间等优势，正在成为实现实用化量子计算的强有力竞争者。随着离子阱量子计算芯片研究的不断深入，我们可以期待该技术在未来取得进一步的突破，为解决重大科学问题和推动技术革命做出更多的贡献。