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(guó)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(shì),量子比特?cái)?shù)量的不斷增長(zhǎng),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(chē)、航空、氣象、密碼安全等領(lǐng)域均展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì),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(zhēng)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(chǎng)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(guò)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(cè)。

離子阱技術(shù)路線由于量子比特相干時(shí)間長(zhǎng)、量子比特之間的連接性好、邏輯門(mén)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(guó)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(lái)越多的企業(yè)入局,這些企業(yè)主要包括美國(guó)的IonQ和Quantinunm、中國(guó)的啟科量子以及英國(guó)的UQ(Universal Quantum)等。2022年,來(lái)自這三個(gè)國(guó)家的四家離子阱量子計(jì)算企業(yè)也都有不俗表現(xiàn)。

無(wú)懼質(zhì)疑的IONQ

2022年5月,蝎子資本發(fā)布了一份長(zhǎng)達(dá)183頁(yè)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(wú)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(kāi)發(fā)了一種強(qiáng)大的新方法來(lái)執(zhí)行多量子比特糾纏門(mén),該方法“可以大大簡(jiǎn)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(chē)、航空和金融等領(lǐng)域。2022年,IonQ與現(xiàn)代汽車(chē)官宣了三場(chǎng)合作,分別是1月份合作運(yùn)用量子計(jì)算來(lái)模擬鋰電池化學(xué)反應(yīng),推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)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(lái)交通工具的圖像分類(lèi)和3D物體檢測(cè)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(jué)算法的技術(shù),該算法能夠根據(jù)自動(dòng)駕駛車(chē)輛的三維數(shù)據(jù)探測(cè)物體。

除了現(xiàn)代汽車(chē)外,IonQ還與空中客車(chē)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(shì);與美國(guó)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(lèi)型的離子移動(dòng)。Quantinuum發(fā)布了一項(xiàng)研究成果,通過(guò)表面阱中的一個(gè)結(jié)可以實(shí)現(xiàn)兩種不同類(lèi)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_(kāi)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(guò)交叉點(diǎn),而帶電粒子不會(huì)過(guò)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(guò)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(mén),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(guò)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(zhuān)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(guó)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(wèn)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(guó)廣播公司(BBC)組成了一個(gè)聯(lián)盟,以探索量子自然語(yǔ)言處理(QNLP)和量子啟發(fā)的自然語(yǔ)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(zhuān)注于量子計(jì)算機(jī)全棧式開(kāi)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(guó)內(nèi)首套具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的ARTIQ架構(gòu)量子測(cè)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(lè)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(mén)》。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(mén)的關(guān)鍵技術(shù),揭示了利用激光場(chǎng)驅(qū)動(dòng)離子鏈運(yùn)動(dòng)態(tài),通過(guò)非線性相互作用,來(lái)實(shí)現(xiàn)囚禁離子量子邏輯門(mén)的基本物理過(guò)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(wú)漏洞測(cè)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(kāi)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(guó)的離子阱量子公司UQ在2022年一舉簽下了6700萬(wàn)歐元的合同,為德國(guó)航空航天中心(DLR)開(kāi)發(fā)和建造離子阱量子計(jì)算機(jī),這是由德國(guó)經(jīng)濟(jì)部創(chuàng)立的德國(guó)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(kāi)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(yíng)

2022年,以色列和德國(guó)也加入離子阱量子計(jì)算的陣營(yíng)。

以色列創(chuàng)新署(IIA)和國(guó)防部宣布投資約6220萬(wàn)美元開(kāi)發(fā)本國(guó)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(lái)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(guó)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(lái)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(shì)頭正勁,2023年也蓄勢(shì)待發(fā),期待離子阱路線能帶來(lái)更多驚喜,推動(dòng)通用量子計(jì)算機(jī)的研制。

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