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 近日，霍尼韦尔的衍生公司Quantinuum宣布[1]，通过表面阱中的一个结可以实现两种不同类型的离子移动。 在同一时间将成对的离子完整地传送到一个结中的能力，对于扩展离子阱系统至关重要。 这也是学术界、政府和工业界的离子阱研究人员多年来一直在寻求解决的技术难题。 这是首次实现该技术，是离子阱量子计算领域的一个重大突破，是扩展高保真量子比特、大规模量子计算机的关键所在。 该研究成果《Transport of multispecies ion crystals through a junction in an RF Paul trap》已发表于arXiv上[2]。 01. 离子阱量子计算机的实现 离子阱是领先的量子计算机候选系统之一，IonQ、Quantinuum、Oxford Ionics以及国内的启科量子、华翊量子等均在该领域发力。 在离子阱量子计算机中，量子信息存储在量子比特离子的内部原子状态中，多量子比特门通常通过耦合两个具有共同运动模式的量子比特的内部状态来实现的。 量子比特的连接可以通过控制由表面电极离子阱产生的捕获电位来实现。
图｜QuantinuumH1-1系统（来源：Quantinuum） 全连接可以通过在单晶中包含所有量子比特或使用量子带电耦合器件（QCCD）架构来实现，其中门在小离子链上执行，这些离子链可以被重新排序和重新配置。 当前的离子阱量子计算机有效地使用一维（线性陷阱）几何结构。 在这样的线性陷阱中，门之间的离子分类是通过势阱分裂、旋转和线性传输的组合来完成。在二维网格上进行分类还需要通过交叉点进行传输以连接线性部分。 目前，已经有人展示了离子通过几种几何结的传输，包括 T 结、晶片阱 和表面X 结和 Y 结。 02. 更复杂的陷阱，更新的实现方法 然而，到目前为止，所有的实现方法均仅传输单种离子。 Quantinuum团队现在实现了通过结传输不同类型的离子晶体，该成果可以简化大规模量子计算机中的排序算法。 Quantinuum的技术基于量子带电耦合器件（QCCD）架构，这是美国国家标准与技术研究所（NIST）的离子存储小组在21世纪初首次提出的概念。 与其他捕获离子技术一样，这种架构依赖于陷阱来捕获电场或阱中的离子。门在小的离子链上执行，它们可以在架构内被重新排序和重新配置，从而实现全连接。 在发布在arXiv上的预印本中，Quantinuum的研究人员概述了他们如何开发出新的波形，可以引导一对镱离子和钡离子通过一个交汇点，而带电粒子不会过度兴奋或飞出陷阱。 该团队在Quantinuum公司设计和微制造的具有网格状结构的原型捕集器上测试了该技术。 Quantinuum表示，其H1-1和H1-2量子计算设备目前使用一个具有简单几何形状或设计的陷阱，类似于铁路轨道，离子阱沿着这些线性轨道来回移动，并根据需要进行交换以运行算法。 这种线性设计对于较少的量子比特来说效果很好。但它存在的局限性，使扩展变得困难。如果增加几百个量子比特，就需要把轨道拉得更长，更不用说几千个。除此之外，它也将需要更多的时间来重新定位和重置量子比特。 为了克服这些挑战，Quantinuum的研究人员转向具有更复杂几何形状的陷阱。
研究人员通过霍尼韦尔制造的微加工表面陷阱 X 结（如图 1 所示）展示了单离子和多物种离子晶体的快速、低激发结传输。 对于单物种传输，使用了一个 171Yb+ 离子。对于多物种传输，使用了一个由一个 138Ba+ 离子和一个 171Yb+ 离子共同组成的晶体（以下称为 镱-钡晶体）。 对于单一物种和多物种运输，研究人员能够通过 X 连接点运输到每条路径（在图 1 中标记为 M1-M4），然后在低激发且不重新排序的情况下回到起始位置。 在Quantinuum的System Model H1技术中，每个阱都包含一个镱离子和一个钡离子。 镱离子作为一个量子比特发挥作用，而钡则用激光冷却，以减少两个离子的运动，这种技术被称为交感冷却（Sympathetic Cooling）。这种冷却使得在长时间的计算中保持量子计算操作的低错误率成为可能。 其系统模型H2将采用类似赛道的设计。系统模型H3及更高版本将使用图1类似于有多条铁路线和交叉口的城市街道网格的二维陷阱。 Quantinuum研究人员能够在几乎没有运动的情况下将镱-钡离子对转过尖角。 参与该项目的高级物理学家、arXiv论文的主要作者Cody Burton博士说， "据我们所知，这是第一次有团队在表面陷阱中同时将两个不同种类的离子移过结点。" 03. 下一步计划 下一步，研究人员将继续测试和完善这种新方法。 他们的目标是，从移动一个阱扩展到同时通过多个结点进行传输。他们计划将这种方法纳入系统模型H3，这有望成为第一个具有二维、网格状陷阱的Quantinuum量子技术。 Quantinuum由由霍尼韦尔量子解决方案部门与剑桥量子计算公司合并而成，而早在2020年10月，霍尼韦尔宣布推出新一代量子计算机H1的同时，公布了未来10年的路线图。
图｜霍尼韦尔发展路线图（来源：霍尼韦尔） 根据Quantinuum官网发布的路线图，继续沿用了前期霍尼韦尔的计划。目前，已经推出20个全连接的量子比特系统H1-1。
图｜Quantinuum发展路线图（来源：Quantinuum） Quantinuum 总裁兼首席运营官 Tony Uttley 表示，这种新技术的突破将是扩展高保真量子比特实现数百、数千规模量子计算机的关键，在扩展的同时，量子比特将保持低栅极误差、长相干时间和低串扰等高质量特性。 Quantinuum 所取得的成就是离子阱研究领域以及自身技术的重大突破，这将使Quantinuum能够提供速度更快、量子比特更多、错误更少的量子计算机。也许，其2030年的计划将提前实现。 引用： [1]https://www./pressrelease/quantum-milestone-turning-a-corner-with-trapped-ions [2]https:///abs/2206.11888  |
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