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【新視野】2022離子阱量子計算：穩步進擊的優等生

2023-01-12 17:48:37來源：中關村在線

2022年量子計算頻繁“刷屏”,從各國陸續推出支持政策,到量子計算企業發布新品獲得融資,從“量子優越性”里程碑的多次實現,再到諾貝爾物理學獎花落量子信息技術,量子計算正快速走進大眾視野。

目前全球量子計算公司已超100家,呈現出蓬勃發展態勢,量子比特數量的不斷增長,量子體積數據屢創新高,量子計算相關軟硬件也皆有發展,量子計算在金融、制藥、化工、汽車、航空、氣象、密碼安全等領域均展現出獨特優勢,并陸續產生了實際應用解決方案。

【資料圖】

優等生離子阱

目前,量子計算的技術路線“百花齊放”,離子阱、超導、半導體、光量子等路線“爭奇斗艷”,離子阱路線更是其中的佼佼者。

離子阱是利用電荷與電磁場間的交互作用力牽制帶電粒子運動,并利用囚禁離子的基態和激發態組成的兩個能級作為量子比特,利用微波激光照射操縱量子態,通過連續泵浦光和態相關熒光實現量子比特的初始化和探測。

離子阱技術路線由于量子比特相干時間長、量子比特之間的連接性好、邏輯門操作保真度高等特點備受業界關注,已成為通用量子計算機發展中的領先路線之一。

穩步進擊多方角逐

從1959年德國物理學家Hans Dehmelt發明帶電粒子囚禁技術至今,學術界對離子阱的研究一直持續,產業界近幾年也有越來越多的企業入局,這些企業主要包括美國的IonQ和Quantinunm、中國的啟科量子以及英國的UQ(Universal Quantum)等。2022年,來自這三個國家的四家離子阱量子計算企業也都有不俗表現。

無懼質疑的IONQ

2022年5月,蝎子資本發布了一份長達183頁的關于IonQ的做空報告,并列舉了IonQ的“十七宗罪”,但IonQ無懼質疑,在技術創新、學術研發和行業應用方面都交了滿意的答卷。

在技術創新方面,IonQ在2月份推出了新一代IonQ Aria系統,實現了創紀錄的20個算法量子比特;5月份發布其最新一代的量子系統IonQ Forte;8月份推出具有23個算法量子比特的IonQ Aria系統。

在學術研發方面,IonQ與杜克大學合作開發了一種強大的新方法來執行多量子比特糾纏門,該方法“可以大大簡化量子電路結構,加快其執行速度,并提高量子計算機系統應對退相干的能力。”

在應用領域方面,IonQ重點關注汽車、航空和金融等領域。2022年,IonQ與現代汽車官宣了三場合作,分別是1月份合作運用量子計算來模擬鋰電池化學反應,推動電動汽車的電池創新;4月份將量子機器學習應用到未來交通工具的圖像分類和3D物體檢測技術;12月份合作研發基于IonQ量子計算機機器視覺算法的技術,該算法能夠根據自動駕駛車輛的三維數據探測物體。

除了現代汽車外,IonQ還與空中客車就量子飛機裝載優化和量子機器學習項目達成合作,以索量子計算在航空航天服務和乘客體驗方面的潛在應用和優勢;與美國通用電氣公司創新中心(GE Research)合作,在探索量子計算應用于風險管理中的多變量分布建模的合作項目中,取得了可喜的初步成果等等。

一騎絕塵的Quantinuum

Quantinuum在2022年取得了多個里程碑式成果。

一是創下量子體積記錄。4月份,Quantinuum 的System Model H1-2成為全球首臺量子體積達到4096的商用量子計算機;9月份,其System Model H1-1量子系統創下了量子體積的新記錄達到了8192,這是該公司H系列硬件在兩年內第7次創下量子體積的行業記錄。

二是實現不同類型的離子移動。Quantinuum發布了一項研究成果,通過表面阱中的一個結可以實現兩種不同類型的離子移動,這個結是位于離子量子計算機核心的微型電極填充設備。Quantinuum研究人員在其論文中概述了他們如何開發新的波形,這些波形可以引導一對鐿和鋇離子通過交叉點,而帶電粒子不會過度活躍或飛出陷阱,這一發現是離子阱量子計算領域和 Quantinuum 的重要突破。

三是證明邏輯量子比特性能優于物理量子比特。Quantinuum通過在一個使用實時量子糾錯的容錯電路中糾纏邏輯量子比特,取得了重要里程碑,首次演示了在兩個邏輯量子比特之間的糾纏門,并以完全容錯的方式使用實時糾錯完成;首次演示了比相應物理電路具有更高保真度的邏輯糾纏電路。

同時,System Model H1-1實現了20個完全連接的量子比特,摩根大通的研究人員通過升級后的H1-1,證明了迄今為止最大的量子優化算法的執行。

在專注研發的同時,Quantinuum也在擴充自己的朋友圈。2022年Quantinuum與法國能源巨頭道達爾能源(TotalEnergies)合作,詳述了量子計算機在減緩氣候變化方面的潛在用途;與IBM達成協議,擴展IBM量子中心,為客戶提供更多訪問IBM量子計算系統的機會,推動和發展量子生態系統;與三井物產株式會社合作,在日本和亞太地區合作提供量子計算服務;還在11月份與倫敦大學學院(UCL)和英國廣播公司(BBC)組成了一個聯盟,以探索量子自然語言處理(QNLP)和量子啟發的自然語言處理的工業相關性等。

穩步前進的啟科量子

啟科量子是亞洲首家以離子阱量子計算為核心的量子信息技術公司,專注于量子計算機全棧式開發和量子通信設備制造,2022年在量子計算軟硬件方面都有新突破。

硬件方面,啟科量子在2022年陸續推出了國內首套具有自主知識產權的ARTIQ架構量子測控系統、低溫離子阱模塊化封裝產品、工程化離子阱低溫真空系統等系列產品;在量子軟件方面,啟科量子率先將量子計算與PKS信創體系融合,在量子金融應用方面已取得不錯的成果。

2022年啟科量子還推出了自主研發了離子阱全系列教學模擬機,用于模擬離子阱量子計算機并演示器部分功能,針對不同應用環境推出教學版、科普版以及科研版三款產品。

在學術研究方面,啟科量子首席科學家、中山大學羅樂教授帶領的研究團隊發表了《離子阱中以聲子為媒介的多體量子糾纏與邏輯門》。文章分析了離子阱中以聲子為媒介的多體量子糾纏和量子邏輯門的關鍵技術,揭示了利用激光場驅動離子鏈運動態,通過非線性相互作用,來實現囚禁離子量子邏輯門的基本物理過程。

除了啟科量子外,清華大學物理系金奇奐教授團隊,在基于混合離子阱系統下首次演示了量子互文性無漏洞測試;臺灣鴻海研究院在2021年底成立了“離子阱實驗室”,2022年該實驗室展示了量子模擬在電池開發上的研究成果,大大縮減了所需的量子資源。

拿下大單的UQ

英國的離子阱量子公司UQ在2022年一舉簽下了6700萬歐元的合同,為德國航空航天中心(DLR)開發和建造離子阱量子計算機,這是由德國經濟部創立的德國量子計算倡議的一部分。

在該合同的第二部分,UQ將朝著100量子比特可擴展量子計算機的方向發展。這涉及到UQ開發的新技術,該技術允許量子處理器以模塊化的方式組合在一起,從而快速增加量子比特數量。

攻城略地擴大陣營

2022年,以色列和德國也加入離子阱量子計算的陣營。

以色列創新署(IIA)和國防部宣布投資約6220萬美元開發本國第一臺量子計算機,用于學術界、高科技產業和安全機構的研發工作。隨后魏茨曼科學研究所Roee Ozeri教授就帶領團隊,成功建造了以色列首臺量子計算機,該離子阱量子計算機包含5個量子比特,這是未來1到2年內向64量子比特量子計算機邁出的重要一步。

德國航空航天中心(DLR)與eleQtron、NXP Semiconductors Germany、Parity Quantum Computing Germany、QUDORA Technologies 和 Universal Quantum Deutschl簽署離子阱技術的研究合同,將在未來四年內建造離子阱原型量子計算機,該合同總額為2.085億歐元,將分階段推動,目標是在項目結束時實現50個量子比特的離子阱量子計算機。

優等生離子阱,2022年勢頭正勁,2023年也蓄勢待發,期待離子阱路線能帶來更多驚喜,推動通用量子計算機的研制。

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