每日觀點(diǎn)：2022離子阱量子計(jì)算：穩(wěn)步進(jìn)擊的優(yōu)等生

2022年量子計(jì)算頻繁“刷屏”,從各國陸續(xù)推出支持政策,到量子計(jì)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(shí)現(xiàn),再到諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)花落量子信息技術(shù),量子計(jì)算正快速走進(jìn)大眾視野。

(資料圖)

目前全球量子計(jì)算公司已超100家,呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展態(tài)勢,量子比特?cái)?shù)量的不斷增長,量子體積數(shù)據(jù)屢創(chuàng)新高,量子計(jì)算相關(guān)軟硬件也皆有發(fā)展,量子計(jì)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(dú)特優(yōu)勢,并陸續(xù)產(chǎn)生了實(shí)際應(yīng)用解決方案。

優(yōu)等生離子阱

目前,量子計(jì)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(yùn)動(dòng),并利用囚禁離子的基態(tài)和激發(fā)態(tài)組成的兩個(gè)能級(jí)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(shí)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(shí)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(diǎn)備受業(yè)界關(guān)注,已成為通用量子計(jì)算機(jī)發(fā)展中的領(lǐng)先路線之一。

穩(wěn)步進(jìn)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(duì)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(gè)國家的四家離子阱量子計(jì)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(dá)183頁的關(guān)于IonQ的做空?qǐng)?bào)告,并列舉了IonQ的“十七宗罪”,但I(xiàn)onQ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(shí)現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄的20個(gè)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(gè)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(qiáng)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)對(duì)退相干的能力?！?/p>

在應(yīng)用領(lǐng)域方面,IonQ重點(diǎn)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(yùn)用量子計(jì)算來模擬鋰電池化學(xué)反應(yīng),推動(dòng)電動(dòng)汽車的電池創(chuàng)新;4月份將量子機(jī)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(jì)算機(jī)機(jī)器視覺算法的技術(shù),該算法能夠根據(jù)自動(dòng)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(jī)裝載優(yōu)化和量子機(jī)器學(xué)習(xí)項(xiàng)目達(dá)成合作,以索量子計(jì)算在航空航天服務(wù)和乘客體驗(yàn)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(jì)算應(yīng)用于風(fēng)險(xiǎn)管理中的多變量分布建模的合作項(xiàng)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(gè)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(tái)量子體積達(dá)到4096的商用量子計(jì)算機(jī);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(dá)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(shí)現(xiàn)不同類型的離子移動(dòng)。Quantinuum發(fā)布了一項(xiàng)研究成果,通過表面阱中的一個(gè)結(jié)可以實(shí)現(xiàn)兩種不同類型的離子移動(dòng),這個(gè)結(jié)是位于離子量子計(jì)算機(jī)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(duì)鐿和鋇離子通過交叉點(diǎn),而帶電粒子不會(huì)過度活躍或飛出陷阱,這一發(fā)現(xiàn)是離子阱量子計(jì)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(gè)使用實(shí)時(shí)量子糾錯(cuò)的容錯(cuò)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(gè)邏輯量子比特之間的糾纏門,并以完全容錯(cuò)的方式使用實(shí)時(shí)糾錯(cuò)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(shí),System Model H1-1實(shí)現(xiàn)了20個(gè)完全連接的量子比特,摩根大通的研究人員通過升級(jí)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(shí),Quantinuum也在擴(kuò)充自己的朋友圈。2022年Quantinuum與法國能源巨頭道達(dá)爾能源(TotalEnergies)合作,詳述了量子計(jì)算機(jī)在減緩氣候變化方面的潛在用途;與IBM達(dá)成協(xié)議,擴(kuò)展IBM量子中心,為客戶提供更多訪問IBM量子計(jì)算系統(tǒng)的機(jī)會(huì),推動(dòng)和發(fā)展量子生態(tài)系統(tǒng);與三井物產(chǎn)株式會(huì)社合作,在日本和亞太地區(qū)合作提供量子計(jì)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(gè)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(jìn)的啟科量子

啟科量子是亞洲首家以離子阱量子計(jì)算為核心的量子信息技術(shù)公司,專注于量子計(jì)算機(jī)全棧式開發(fā)和量子通信設(shè)備制造,2022年在量子計(jì)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(shí)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(jì)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(cuò)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(jī),用于模擬離子阱量子計(jì)算機(jī)并演示器部分功能,針對(duì)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(tuán)隊(duì)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(dòng)離子鏈運(yùn)動(dòng)態(tài),通過非線性相互作用,來實(shí)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(tuán)隊(duì),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(tái)灣鴻海研究院在2021年底成立了“離子阱實(shí)驗(yàn)室”,2022年該實(shí)驗(yàn)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(jì)算機(jī),這是由德國經(jīng)濟(jì)部創(chuàng)立的德國量子計(jì)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(kuò)展量子計(jì)算機(jī)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?cái)?shù)量。

攻城略地 擴(kuò)大陣營

2022年,以色列和德國也加入離子阱量子計(jì)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(tái)量子計(jì)算機(jī),用于學(xué)術(shù)界、高科技產(chǎn)業(yè)和安全機(jī)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(tuán)隊(duì),成功建造了以色列首臺(tái)量子計(jì)算機(jī),該離子阱量子計(jì)算機(jī)包含5個(gè)量子比特,這是未來1到2年內(nèi)向64量子比特量子計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī),該合同總額為2.085億歐元,將分階段推動(dòng),目標(biāo)是在項(xiàng)目結(jié)束時(shí)實(shí)現(xiàn)50個(gè)量子比特的離子阱量子計(jì)算機(jī)。

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(dòng)通用量子計(jì)算機(jī)的研制。

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