1、专题:量子信息技术2023 年第 7 期离子量子计算研究及应用赵文定蔡明磊梅全鑫姚麟杨蒿翔(华翊博奥(北京)量子科技有限公司,北京 100176)摘要:量子计算是一种结合量子力学原理的新型计算模式,能在解决特定问题场景中提供指数级别的算力提升,是学术研究和产业发展的热点。而离子阱系统是目前较成熟的通用量子计算平台之一。首先,对离子量子计算的基本原理进行了介绍;然后,探讨了离子量子计算的优缺点以及规模扩展的技术方案;最后,对离子量子计算商业化发展和应用现状进行了概述。关键词:离子量子计算;规模扩展;产业化发展及应用中图分类号:TP387 文献标志码:A引用格式:赵文定,蔡明磊,梅全鑫,等.离子量
2、子计算研究及应用J.信息通信技术与政策,2023,49(7):17-26.DOI:10.12267/j.issn.2096-5931.2023.07.0030 引言金融、化学、生物医药、密码学等领域的诸多问题随着规模扩张,所需计算资源随之指数上升,远超经典计算框架的能力。量子计算是目前已知唯一能够提供指数级别算力增长的计算架构1。20 世纪 80 年代,Paul Benioff2、Richard Feynman3等提出了量子计算的概念;1994 年,Peter Shor4提出了质因数分解算法,点燃了量子计算的研究热情;1995 年,Ignacio Cirac 和Peter Zoller5提出利
3、用离子阱系统实现量子纠缠门,使得量子计算从理论走向试验,并激发了其他量子计算物理平台的发现与发展。此后,量子计算的所有基本元素都在离子阱系统中以高保真度实现。离子阱系统已成为公认的最有可能实现大规模通用量子计算的物理平台之一。1 离子量子计算原理2000 年,David DiVincenzo6提出通用量子计算机所需要满足的五大标准,本文将以此为线索,对离子量子计算的基本原理和相应进展作简要概述。1.1 量子计算需要在可扩展的物理系统中构建量子比特 在离子阱系统中,量子比特是离子的一对内部能级,可用|0 和|1 表示。根据两个能级选择标准不同,离子量子比特主要分为三种类型:一是塞曼量子比特(Ze
4、eman Qubit),两个能级选取基态能级同一超精细能级上的两个塞曼子能级,两个能级频率差在兆赫兹(MHz)量级,其优点是量子比特寿命接近无穷长;二是超精细量子比特(Hyperfine Qubit),两个能级选取基态能级不同超精细结构能级上磁量子数为零的子能级,两个能级频率差在吉赫兹(GHz)量级,其优点是量子比特寿命和相干时间长;三是光量子比特(Optical Qubit),一个能级位于基态能级,另一个能级位于亚稳定态能级,两个能级频率差在光学波段,其优点是操作激光处于可见光波段或红外光波段。1.2 能够对量子比特进行状态初始化和状态读取量子计算需要具备状态初始化的能力,即将多比特系统制备
5、到一个基准态,例如|0000态。离子阱71|信息通信技术与政策系统利用光泵浦技术实现高保真度的初态制备:泵浦激光将处于亮态(处于|0或|1其中一个状态的离子在激光照射下会释放光子,可将其称作亮态,另一个称作暗态)的离子激发到上能级,离子自发辐射落回二能级系统,回到亮态的离子被再次激发,而处于暗态的离子则不会,由此离子最终将被制备到暗态。状态读取也是量子计算必不可少的步骤,离子阱系统利用状态相关的荧光探测可实现高保真度状态测量:只有处于亮态的离子在激光照射下才会发出荧光。研究过程中,状态初始化和状态探测保真度通常结合在一起标定,称作状态制备与测量保真度(State Preparation and
6、 Measurement Fidelity,SPAM Fidelity)。2022 年,Quantinuum 公司在钡离子系统中实现超过99.99%的 SPAM Fidelity 7,为业内最佳纪录。1.3 量子比特具有较长相干时间相干时间反映量子比特和环境之间的耦合程度,可以理解为量子比特能存储量子信息的时间。相干时间远长于量子逻辑门操作时间时,量子计算才能确保有正确的结果输出。金奇奂研究组8在超精细量子比特系统中利用磁屏蔽和动态解耦等方法实现超过 1 h的相干时长;David Lucas 研究组9利用最优控制方法实现高保真度的快速逻辑门制备,耗时 1.6 s,双比特逻辑门保真度为 99.8
7、%;由此,离子阱系统中相干时间和逻辑门操作时间的比值达 109量级。该比值越高,意味着能执行的量子线路越深。1.4 能够实现通用量子门集在离子阱系统中,利用寻址激光束可以实现任意单量子比特幺正变换。David Lucas 研究组10实现99.9999%单比特门保真度。利用激光耦合离子内态和外态,并通过离子间的运动模式作媒介能实现任意两个比特的纠缠门。1995年,Ignacio Cirac 和 Peter Zoller5提出利用离子的声子模来构建双量子位门(简称“CZ 门”)的方案,使得量子计算从理论时代步入试验时代;1999 年,Molmer-Sorensen Gate 纠缠方案 出 现11-
8、12;2003 年,Dietrich Leibfried13实现光频移门摆脱了逻辑门操作对基态声子模的苛刻要求;2006 年,段路明等14提出利用离子链的径向模式构建量子逻辑门,使得逻辑门操作更具备可扩展性,此后段路明等又提出最优控制方法15,解决了横向模式致密排布的问题,使得逻辑门保真度完全摆脱了离子数量的限制。随着最优控制方法不断被发展和完善,出现了对激光频率、幅度、相位等参数的调制手段,并从分段调制发展出连续调制16-20。Christopher Monroe 研究组21构建 5 量子比特的可编程量子计算机,实现并行双量子比特纠缠门22;David Wineland 研究组23在离子阱系
9、统中实现双比特逻辑门保真度的最高记录,保真度达 99.92%,之后被Kenton Brown 研究组24打破,双比特逻辑门保真度达99.94%。2 离子量子计算优势和劣势离子阱系统相较于其他先进量子计算平台具有明显的优势和劣势,以下将离子阱系统与超导25、中性原子系统26进行简要对比。2.1 量子比特全同性离子量子比特是离子内部的一对二能级,天然全同,保证了所有量子比特有近乎相同的性质和性能,降低了系统校准的复杂度。而超导量子比特是人工制备的,无法保证性质和性能上的全同性,在这一点上离子阱和中性原子量子比特都优于超导量子比特。2.2 量子比特相干时间离子阱系统通过磁屏蔽和动态解耦等手段使单个量
10、子比特的相干时间达到 1 h 级别。目前,常用的超导量子比特相干时间世界纪录是 1.48 ms27。原则上,中性原子和离子阱有近乎相同的量子比特相干性能,但由于囚禁中性原子的光镊光强涨落以及非共振光子散射等因素,中性原子想要达到和离子阱相当的相干水平非常困难,但目前碱土金属中性原子核自旋量子比特也达到几十秒量级的相干时间28,在这一点上离子阱量子比特是三者中性能最好的。2.3 量子逻辑门保真度由于双量子比特门保真度提升难度远大于单量子比特门保真度,因此本文重点关注前者。目前,离子阱系统双量子比特门保真度纪录为 99.94%,超导系统双量子比特门保真度纪录尚未达到 99.9%29,中性原子系统双
11、量子比特门保真度纪录则刚过 99%30,离子阱系统在双量子比特门保真度这一项占优。2.4 量子逻辑门速度由于量子比特门操作原理限制,离子阱在量子比特门速度方面处于劣势。常用的双比特纠缠门时长一81专题:量子信息技术2023 年第 7 期般在百微秒量级,超导和中性原子则都在百纳秒量级。利用最优控制方法,离子阱双比特纠缠门速度在原理上没有限制,但越快的量子门需要越强的激光。另外一种利用超强、超快激光脉冲实现超快量子门的方法31-32,由于单个纠缠门需要对离子连续施加几十个超强激光脉冲,这对脉冲时序控制和脉冲稳定性提出很高要求,因此保真度很难提高33。目前,离子阱系统双比特纠缠门的保真度和速度的综合
12、纪录是 David Lucas 利用最优控制方法保持的,用 1.6 s 的操作时间达到 99.8%的保真度9。得益于较长的量子比特相干时间,即使在较慢的单次逻辑门操作速度下,离子阱系统所能支持的量子线路深度依然是各路线中最大的。(a)QCCD 方案39(b)光量子计算网络方案40(c)高维离子晶格方案Memory RegionElectrode SegmentsInteraction Region图 1 离子量子计算的三种扩展方案2.5 量子比特初态制备和状态读取保真度离子阱系统能做到初态制备和状态读取保真度大于 99.99%7,远优于超导系统34-36。中性原子系统由于光偶极势阱太浅,在状态
13、探测时会导致原子丢失,从而降低量子计算的速率,科研人员也提出了一些非破坏性的探测方法来改进这一劣势37。综上,离子阱系统占优。2.6 量子比特连通性连通性是指任意一个量子比特能和多少个周边比特作双量子比特门。鉴于双量子位门操作原理,超导量子比特只能和最近邻量子比特作双比特门。中性原子比特一般也只能和最近邻或次近邻原子作双比特门。离子阱系统利用集体运动模式实现不同比特之间耦合,而这种集体运动模式为所有离子共享,因此原则上任意一个离子可以和同一个阱中任意其他离子进行双比特门操作。因此,离子阱系统的连通性最强。2.7 扩展性目前,离子阱系统扩展化方案主要有量子电荷耦合(Quantum Charge-
14、Coupled Device,QCCD)方案38-39、光量子计算网络方案40、高维离子晶格方案41-42等。离子阱系统在可扩展方面具有独特的低成本优势:操控系统复杂度并不随比特数呈比例增长。而对超导系统来说,每个量子比特需要独占信号传输线,制冷机的容量和制冷量对信号线的数量有极大的限制。为了扩容,需要具备与量子比特数量基本相当的高质量信号源、低温传输线,还需要制备价格高昂的、制冷功率更大的制冷机。3 离子量子计算的规模扩展目前,量子计算全行业正在努力寻求解决的问题是规模不足。量子计算的规模扩展需要同时考虑空间和时间两个维度,其最终目标是在尽可能大的希尔伯特空间上执行尽可能多的幺正操作。以下将
15、从空间和时间两个维度来讨论离子量子计算的规模扩展。3.1 空间维度只有具备足够大的希尔伯特空间才能存储和处理足够多的信息。如图 1 所示,离子阱系统中实现量子91|信息通信技术与政策比特数量扩展主要有以下三种方案。如图 1(a)所示,QCCD 方案将离子阱系统划分为多个子系统(或功能区域),每个子系统中囚禁少量的离子,通过在不同子系统间迁移离子来实现信息互联。自 QCCD 方案提出后,离子迁移、离子链分离与合并等基本 要 素 均 已 实 现。2021 年,Quantinuum43基 于QCCD 方案实现了小规模量子计算机,此后该公司一直保持量子体积的纪录,其最新发布的系统包含 32 量子比特,
16、量子体积达到 65 53644。光量子计算网络方案40。单个离子阱系统中能囚禁和操控的离子数量有限,现有技术的上限在百量子比特量级。如图 1(b)所示,利用光子-离子纠缠,可以实现不同离子阱系统之间的信息传递,由此可将多个离子阱系统互联,以实现更大规模的量子计算机,类似于经典计算中的分布式计算技术。光子特有的稳健性(Robustness)使得各个子系统之间的距离不受限制。自光量子计算网络方案提出以来,其基本要素被逐一验证。2004 年,Christopher Monroe 等45实现了光子-离子纠缠态;2015 年,David Wineland 研究组和 David Lucas 研究组46-47实现了同一个离子阱系统中不同种类离子之间的纠缠门;2020 年,David Lucas 研究组48将此纠缠门保真度提升至 99.8%,突破了容错阈值;2007 年,Christopher Monroe 研究组49实现了处于不同离子阱系统中离子之间的纠缠态,以及不同离子阱系统之间的互联;2020 年,David Lucas 研究组50将不同离子阱中离子之间纠缠态的保真度提升到 94%,且纠缠态制备