每日觀點：2022離子阱量子計算：穩(wěn)步進擊的優(yōu)等生

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

(資料圖)

目前全球量子計算公司已超100家,呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展態(tài)勢,量子比特數(shù)量的不斷增長,量子體積數(shù)據(jù)屢創(chuàng)新高,量子計算相關(guān)軟硬件也皆有發(fā)展,量子計算在金融、制藥、化工、汽車、航空、氣象、密碼安全等領(lǐng)域均展現(xiàn)出獨特優(yōu)勢,并陸續(xù)產(chǎn)生了實際應(yīng)用解決方案。

優(yōu)等生離子阱

目前,量子計算的技術(shù)路線“百花齊放”,離子阱、超導(dǎo)、半導(dǎo)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(tài)和激發(fā)態(tài)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(tài),通過連續(xù)泵浦光和態(tài)相關(guān)熒光實現(xiàn)量子比特的初始化和探測。

離子阱技術(shù)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(yè)界關(guān)注,已成為通用量子計算機發(fā)展中的領(lǐng)先路線之一。

穩(wěn)步進擊 多方角逐

從1959年德國物理學(xué)家Hans Dehmelt發(fā)明帶電粒子囚禁技術(shù)至今,學(xué)術(shù)界對離子阱的研究一直持續(xù),產(chǎn)業(yè)界近幾年也有越來越多的企業(yè)入局,這些企業(yè)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(yè)也都有不俗表現(xiàn)。

無懼質(zhì)疑的IONQ

2022年5月,蝎子資本發(fā)布了一份長達183頁的關(guān)于IonQ的做空報告,并列舉了IonQ的“十七宗罪”,但IonQ無懼質(zhì)疑,在技術(shù)創(chuàng)新、學(xué)術(shù)研發(fā)和行業(yè)應(yīng)用方面都交了滿意的答卷。

在技術(shù)創(chuàng)新方面,IonQ在2月份推出了新一代IonQ Aria系統(tǒng),實現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄的20個算法量子比特;5月份發(fā)布其最新一代的量子系統(tǒng)IonQ Forte;8月份推出具有23個算法量子比特的IonQ Aria系統(tǒng)。

在學(xué)術(shù)研發(fā)方面,IonQ與杜克大學(xué)合作開發(fā)了一種強大的新方法來執(zhí)行多量子比特糾纏門,該方法“可以大大簡化量子電路結(jié)構(gòu),加快其執(zhí)行速度,并提高量子計算機系統(tǒng)應(yīng)對退相干的能力?！?/p>

在應(yīng)用領(lǐng)域方面,IonQ重點關(guān)注汽車、航空和金融等領(lǐng)域。2022年,IonQ與現(xiàn)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(xué)反應(yīng),推動電動汽車的電池創(chuàng)新;4月份將量子機器學(xué)習(xí)應(yīng)用到未來交通工具的圖像分類和3D物體檢測技術(shù);12月份合作研發(fā)基于IonQ量子計算機機器視覺算法的技術(shù),該算法能夠根據(jù)自動駕駛車輛的三維數(shù)據(jù)探測物體。

除了現(xiàn)代汽車外,IonQ還與空中客車就量子飛機裝載優(yōu)化和量子機器學(xué)習(xí)項目達成合作,以索量子計算在航空航天服務(wù)和乘客體驗方面的潛在應(yīng)用和優(yōu)勢;與美國通用電氣公司創(chuàng)新中心(GE Research)合作,在探索量子計算應(yīng)用于風(fēng)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(chuàng)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(tǒng)創(chuàng)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(nèi)第7次創(chuàng)下量子體積的行業(yè)記錄。

二是實現(xiàn)不同類型的離子移動。Quantinuum發(fā)布了一項研究成果,通過表面阱中的一個結(jié)可以實現(xiàn)兩種不同類型的離子移動,這個結(jié)是位于離子量子計算機核心的微型電極填充設(shè)備。Quantinuum研究人員在其論文中概述了他們?nèi)绾伍_發(fā)新的波形,這些波形可以引導(dǎo)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(fā)現(xiàn)是離子阱量子計算領(lǐng)域和 Quantinuum 的重要突破。

三是證明邏輯量子比特性能優(yōu)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(yīng)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(xiàn)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(yōu)化算法的執(zhí)行。

在專注研發(fā)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(xié)議,擴展IBM量子中心,為客戶提供更多訪問IBM量子計算系統(tǒng)的機會,推動和發(fā)展量子生態(tài)系統(tǒng);與三井物產(chǎn)株式會社合作,在日本和亞太地區(qū)合作提供量子計算服務(wù);還在11月份與倫敦大學(xué)學(xué)院(UCL)和英國廣播公司(BBC)組成了一個聯(lián)盟,以探索量子自然語言處理(QNLP)和量子啟發(fā)的自然語言處理的工業(yè)相關(guān)性等。

穩(wěn)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(shù)公司,專注于量子計算機全棧式開發(fā)和量子通信設(shè)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(xù)推出了國內(nèi)首套具有自主知識產(chǎn)權(quán)的ARTIQ架構(gòu)量子測控系統(tǒng)、低溫離子阱模塊化封裝產(chǎn)品、工程化離子阱低溫真空系統(tǒng)等系列產(chǎn)品;在量子軟件方面,啟科量子率先將量子計算與PKS信創(chuàng)體系融合,在量子金融應(yīng)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(fā)了離子阱全系列教學(xué)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(yīng)用環(huán)境推出教學(xué)版、科普版以及科研版三款產(chǎn)品。

在學(xué)術(shù)研究方面,啟科量子首席科學(xué)家、中山大學(xué)羅樂教授帶領(lǐng)的研究團隊發(fā)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(guān)鍵技術(shù),揭示了利用激光場驅(qū)動離子鏈運動態(tài),通過非線性相互作用,來實現(xiàn)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(xué)物理系金奇奐教授團隊,在基于混合離子阱系統(tǒng)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(fā)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(fā)和建造離子阱量子計算機,這是由德國經(jīng)濟部創(chuàng)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(fā)展。這涉及到UQ開發(fā)的新技術(shù),該技術(shù)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(shù)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(chuàng)新署(IIA)和國防部宣布投資約6220萬美元開發(fā)本國第一臺量子計算機,用于學(xué)術(shù)界、高科技產(chǎn)業(yè)和安全機構(gòu)的研發(fā)工作。隨后魏茨曼科學(xué)研究所Roee Ozeri教授就帶領(lǐng)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(nèi)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(shù)的研究合同,將在未來四年內(nèi)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(biāo)是在項目結(jié)束時實現(xiàn)50個量子比特的離子阱量子計算機。

優(yōu)等生離子阱,2022年勢頭正勁,2023年也蓄勢待發(fā),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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