提到量子计算，我们首先想到的就是大名鼎鼎的超导量子计算系统。然而，早在 1995 年，物理学家伊格纳西奥·西拉克（Ignacio Cirac）和彼得·佐勒（Peter Zoller）就提出了一种创新的方法，即利用稳定“囚禁”的离子来实现量子逻辑门的操作，进而构建量子计算系统，这被称为“离子阱量子计算”。
目前，离子阱量子计算与超导量子计算一起，被认为是有望实现真正实用化的量子计算的两种主流方案。
顾名思义，“离子阱量子计算”就是将离子稳定地“囚禁”在一个特定的势阱中，使其能够编码量子比特并参与量子计算。因此，“离子”和“势阱”是该系统最核心的两个要素，它们也是理解“离子阱量子计算”工作原理的关键。
稳定“囚禁”在势阱中的离子示意图。其中，每个白色圆点代表单个离子，轴向的黄色箭头代表直流电场，交变的绿色箭头代表交流电场。图片来源：作者绘制
那么，科学家们为什么要选择“囚禁”离子呢？离子阱量子计算系统又拥有哪些独特的优势，使其能够与超导量子计算系统并列，成为实现量子计算的两大主流技术之一呢？
让我们带着这些疑问，一起深入了解这个虽然低调但实力非凡的离子阱量子计算系统吧！
小小的“身体”，大大的能力
——离子量子比特
实际上，离子是带有电荷的原子，因此它们内部自然存在稳定的能级结构。利用这一特性，科学家们可以选择离子内部的两个特定能级，将它们编码成一个性能稳定的二能级系统，也就是我们所说的量子比特。
对于单个“囚禁”离子中的二能级系统，我们可以将能量较高的状态标记为 |1⟩ 态，而将能量较低的状态标记为 |0⟩ 态。由于离子内部能级之间的跃迁遵循量子力学的概率性原理，单个离子的能量状态可以同时处于 |1⟩ 态和 |0⟩ 态的叠加状态，使其能够作为离子量子比特参与量子计算机的并行运算。
进一步来说，如果我们能在离子阱系统中稳定“囚禁” N 个离子，理论上就可以编码 N 个独立的离子量子比特。在特定的激光光场和微波场的精确控制下，这些离子量子比特能够进行 2 的 N 次方的并行量子运算，展现出量子计算机强大的并行处理能力。
在深入探讨离子阱量子计算系统时，我们不得不提到其朝着规模化和集成化方向发展的一个重要里程碑——基于离子阱量子计算芯片的离子输运方案，这一方案也被称作 QCCD（Quantum Charge-Coupled Device）方案。
具体来说，离子阱量子计算芯片被设计成拥有多个空间功能区域，这些区域通过调节复合电场来实现离子在不同功能区域之间的精确输运。这些区域分别承担着量子比特的存储、逻辑门操作、量子态测量等关键任务。通过这些操作的有机组合，QCCD 方案能够确保每次量子操作的保真度不会因为总离子数的增加而降低，这是实现大规模通用量子计算的关键所在。
基于离子阱量子计算芯片的离子输运方案（QCCD方案）的示意图。
图片来源：参考文献[2]
正是凭借着优异的性能表现，离子阱量子计算芯片的研究受到了美国国家核安全局下属的桑迪亚（Sandia）国家实验室的持续投入。早在 2010 年，桑迪亚国家实验室制备和测试了第一款离子阱量子计算芯片，并且成功实现了 40Ca+ 的“囚禁”；随后在 2016 年，桑迪亚国家实验室研制出新一代的离子阱量子计算芯片“HOA-2.0”，可以稳定“囚禁”离子超过 100 小时；在 2020 年，该实验室推出了电极结构更加复杂的离子阱量子计算芯片“Phoenix and Peregrine”，具备更优异的离子输运性能。
量子计算中的“得分王”
——离子阱量子计算
相较于冲锋在前的超导量子计算系统，离子阱量子计算系统具有许多独有的性能优势，被认为是量子计算前沿研究中的“得分王”，这表现在以下三个方面：
1
较低的错误率
离子被稳定“囚禁”在超高真空的腔体内，能够有效地隔绝外界环境的干扰，并且能在激光场的驱动下实现特定的“量子操控”。目前，离子阱量子计算系统分别创下最高保真度的单量子比特门（99.9999%）和最高保真度的双量子比特门（99.94%）的世界记录；
2
高度的互联性
得益于“囚禁”离子间的库伦长程相互作用，同一离子链中的不同离子在激光场的驱动下，能够实现彼此之间全连接的信息交互，从而极大地提升了并行算力；
3
超长的退相干时间
采用特定的动态解耦方案和协同冷却技术，离子量子比特的量子特性能够有效地与环境解耦，目前已经创下最长的单量子比特相干时间（5500秒）。
2023 年 12 月，全球最大的离子阱量子计算公司 (Quantinuum)同样采用上述 QCCD 方案，推出了具备 32 个离子量子比特的 “H2” 离子阱芯片，并且实现了平均保真度 99.997% 的单比特量子逻辑门，以及全连通保真度为 99.8% 的双比特量子逻辑门，吸引了科学界的广泛关注。
2024 年 6 月，该公司推出了全新升级的离子阱量子计算芯片 “H2-1”，并且拓展至 56 个离子量子比特，其双量子比特门保真度更是高达 99.914%，成为首台达到“三个九”临界值的商用量子计算机。
离子阱量子计算公司Quantinuum发布的离子阱芯片。图片来源：Quantinuum
相较于专注单一指标的超导量子计算系统，作为“得分王”的离子阱量子计算系统则更加注重量子算力的整体提升。
通常而言，量子计算机的整体算力需要从量子比特数目、量子比特的连接性以及量子纠缠门的保真度这三个方面来综合考虑，而“量子体积（QV）”就是综合这三个方面的关键指标。量子体积越大，量子计算机就具有更强大的整体算力，目前离子阱量子计算体系已经达到 2 的 20 次方，成为目前世界上量子体积最大的量子计算系统。
Quantinuum的量子体积（QV）达到了新的世界纪录（2的20次方）。
图片来源：Quantinuum，参考文献[3-4]
离子阱芯片的国内发展
早在 2014 年，来自国防科技大学的研究团队就设计出国内第一款离子阱芯片，实现了相关专业人才的培养和储备；在 2016 年，该研究团队在早期的离子阱芯片中，成功实现了 38 个一维 40Ca+离子链的“囚禁”。
在第一代离子阱芯片的研究基础上，该研究团队相继研制了第二代和第三代离子阱芯片，并且实现了 20 个离子的量子相干操控，同时演示了“量子-经典”混合算法。
国防科技大学研制成功的三代离子阱芯片的示意图。
图片来源：国防科技大学离子阱研究团队
除此之外，我国在离子阱芯片的研究团队还包括清华大学、中国科学技术大学以及南方科技大学等单位，目前我国在离子阱芯片的整体研究水平处于国际前列，但是与国际顶尖研究团队相比仍然存在 5-8 年的研究代差。
量子计算的未来展望
量子计算的发展虽然十分迅速，但仍然处于起步阶段，现在断定哪种技术路线会胜出还为时过早。目前科学界主流的观点认为，要实现真正实用化的量子计算机，需要按照“三步走”的发展战略，即：验证量子计算的优越性、在噪声环境下的中等规模量子计算（NISQ），以及可以通用化的量子计算。
当前，人类已经完成“三步走”战略中的第一步——验证量子计算的优越性，并且已经在“量子纠错”领域迈出了坚实的一步，能够沿着“三步走”战略继续稳步前行。
在可预见的将来，我们在完成“三步走”战略之后，量子计算机将不仅仅可以用于特定算法问题的求解，还将为新质生产力提供强大的算力支撑，实现计算能力的跨越式发展。
参考文献
[1]Cirac J I, Zoller P. Quantum computations with cold trapped ions[J]. Physical review letters, 1995, 74(20): 4091.
[2]Kielpinski D, Monroe C, Wineland D J. Architecture for a large-scale ion-trap quantum computer[J]. Nature, 2002, 417(6890): 709-711.
[4]Moses S A, Baldwin C H, Allman M S, et al. A race-track trapped-ion quantum processor[J]. Physical Review X, 2023, 13(4): 041052.
策划制作
出品丨科普中国
作者丨栾春阳 国防科技大学理学院，吴伟 国防科技大学理学院，王雨桐 清华大学物理学博士
监制丨中国科普博览
责编丨董娜娜
审校丨徐来 林林
本文封面图片及文内图片来自版权图库
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