离子阱会是量子计算的未来吗？

光子盒研究院出品

在2020年中国光博会上，北京启科量子携量子密钥分发设备、密钥管理机、密钥网络管理系统、便携式量子随机数发生器等系列产品首次亮相，这些都是量子通信的核心器件。

同时，量子计算也传来了令人兴奋的消息。

根据启科量子介绍，公司在量子通信、量子计算、量子传感领域均拥有自主核心技术和综合产品研制能力。

工作人员透露了启科量子的“天算1号”离子阱可扩展分布式量子计算机项目，第一阶段技术指标可达到100个可操控量子比特以上，该项目预计在2-3年内完成。

这意味着，启科量子是目前国内唯一一家研究离子阱量子计算的企业。在两大巨头IBM和谷歌的主导下，量子计算主要技术路线是超导量子比特，但近年来随着IonQ、霍尼韦尔先后造出离子阱量子计算机，离子阱被认为是最有前途的技术路线之一。

离子阱：最早实现的物理体系

1994年，Peter Shor开发出以他的名字命名的因子分解算法，证明了大型量子计算机可以有效地解决经典计算机上难以解决的有用任务。不久，奥地利因斯布鲁克大学Blatt实验室的Ignacio Cirac和Peter Zoller提出利用离子阱技术实现量子计算的方案。

1995年，他们在实验室中实现了该方案，离子阱成为了最早实现的物理体系。同年，美国国家标准与技术研究院（NIST）开始了该方向的实验研究。

早在上世纪50年代末，离子阱就被应用于改进光谱测量的精确度。离子阱的原理就是利用电荷与磁场间所产生的交互作用力来约束带电粒子，使其行为得到控制。

目前的主流技术路线中，许多量子硬件使用“合成”量子系统来制作量子比特，例如，低温超导导线、晶体硅中的缺陷，而离子阱量子计算的实现，只需要自然界中的原子。

制造离子阱量子比特，首先要打掉一个原子的一个电子，使之变成带正电荷的离子，并利用该离子余下电子的两个能级作为计算载体。例如，IonQ的量子比特就是镱离子，通过激光打掉镱原子的一个电子，得到一个带正电荷的原子，这就是镱离子。

把原子变成了离子，然后就用一种叫做线性离子阱（Linear Ion Trap）的专用芯片在三维空间精确地捕获离子。这个离子阱中有大约100个可精确控制的小电极，产生电磁力，将离子固定在适当的位置，与环境隔离，以减少环境噪音和退相干。

只囚禁一个离子，并不具备实际意义，所以需要囚禁更多的离子。目前，IonQ一个离子阱中能够囚禁160个离子，也就是160个量子比特。

在使用离子进行计算之前需要两个步骤：冷却，减少噪音，获得更高质量的量子比特，然后将每个离子初始化为“零”状态，准备执行算法。利用多普勒冷却，可以制造出比绝对零度高出千分之一度的量子比特，而不需要冷却任何支持硬件。

接下来是量子逻辑门的实现，IonQ使用一组单独的激光束，每束激光束被成像到一个单独的离子上，再加上一束照射所有离子的“全局”光束。IonQ的纠缠门是同时用精确的激光脉冲“抓住”链上的两个离子产生的。

这会在离子链中产生依赖于量子比特状态的振动。由于量子比特相互作用的数量取决于它们彼此之间的距离，这些不同的振动导致两个量子比特之间的相互作用，而这决定了量子比特的状态。操作结束，振动消失，离子纠缠在一起。

计算完成，读取离子的答案是通过同时照射所有离子的共振激光来完成的。这个过程会瓦解任何复杂的量子信息，并迫使每个量子比特进入两种状态中的一种。其中一个状态对激光有反应，另一个没有。定义其中每个发光的原子是1，每个不发光的原子是0。

很多时候，一次计算并不能得出正确答案，但基础状态在上述过程中已经被破坏。这意味着如果想重复一次测量，就必须重新运行整个计算。

因此，为了保存复杂的量子信息，量子比特不能与任何东西相互作用。一个游离的氢原子与一个离子相撞会破坏整个过程，使脆弱的状态崩溃。为了隔离环境干扰，需要把离子阱芯片放在一个篮球大小的真空室里。

最后，将这个内置离子阱芯片的球体放进一个更大的外壳，里面有各种各样的电气、机械和光学控制系统。体积十分庞大，例如霍尼韦尔的离子阱量子计算机占地1500平方英尺（约139平方米）。

与其他技术路线相比，离子阱量子计算机具有量子比特品质高、相干时间较长、量子比特的制备和读出效率较高三大特点。

IonQ在79量子比特长度上进行单比特门操纵，平均保真度>99%，最佳保真度>99.97%；在11量子比特长度上进行双比特门操纵，平均保真度>98%，最佳保真度>99.3%。

今年6月，霍尼韦尔宣布的“全世界最强量子计算机”，虽然只有6个量子比特，但因为相干时间长、全连接等优点实现了64量子体积。

8月，来自美国杜克大学和马里兰大学的研究者设计出了在低温下运行的全连接的32比特离子阱量子计算机寄存器，相比霍尼韦尔6比特全连接提高了5倍，是目前公开最多量子比特全连接的技术架构。

10月，霍尼韦尔将量子体积提升为128，但IonQ宣布在32量子比特离子阱量子计算机上实现预期超过400万量子体积，Chris Monroe组的一篇论文透露，该系统单比特门保真度为99.98%，双比特门保真度为98.5%-99.3%。

然而，离子阱量子计算机的最大问题是可扩展性，在目前技术条件下，一个离子阱能容纳的量子比特最多有100多个。而且体积庞大，小型化尚需时日。

离子阱阵营日渐壮大

2018年之前，离子阱阵营的唯一代表是IonQ，与IBM、谷歌、Rigetti为代表的超导量子比特相比，势单力薄。国内研究组超导关注度也远超离子阱。

IonQ成立仅5年时间，但是创始人Chris Monroe研究离子阱计算机超过20年。上世纪90年代，他在诺贝尔奖得主David Wineland的NIST小组工作，领导小组演示了第一个量子逻辑门，并利用捕获原子进行了第一个可控量子位演示。

2000年，Monroe成为密歇根大学物理和电子工程系教授，在那里他率先使用单光子耦合原子间的量子信息，并演示了集成在半导体芯片上的第一个电磁原子陷阱，因此获得了美国物理学会的I.I.Rabi奖。

2007年，Monroe加入马里兰大学，他的团队研究了超快激光脉冲在快速量子纠缠操作中的应用，率先将捕获离子用于与量子磁有关的许多体模型的量子模拟。2016年，他被选为美国国家科学院院士。

IonQ的另一位创始人则是杜克大学的教授Jungsang Kim，多年来一直在研究离子阱量子计算机。Monroe将于2021年1月加入杜克大学，并领导杜克大学量子中心。

Kim和Monroe

2018年以来，随着奥地利公司AQT和英国公司Universal Quantum（UQ）成立，以及霍尼韦尔开始研究离子阱量子计算机，离子阱阵营日渐壮大。

成立于2018年的AQT，正是由离子阱量子计算方案的提出者Cirac、Zoller与因斯布鲁克大学的同事们共同创立的。基于研究团队20多年的技术积累，AQT在离子阱领域占有一席之地。

从英国萨塞克斯大学分离出来的量子初创公司UQ，目标是使用微波离子阱技术开发实用的量子计算机，他们使用长波辐射和局部施加的磁场来代替其他离子阱实现中使用的大量单独控制的激光束，而且仅需冷却到70开氏温度，不需降至毫开温度。

在中国，从2011年开始，金奇奂副教授加入清华大学交叉信息研究院，领导离子阱体系的实验研究。金奇奂在马里兰大学读博期间，就是师从Chris Monroe。2016年，国家重点专项“离子阱量子计算”在清华大学启动，金奇奂为项目负责人。

项目重点开展基于离子阱系统的量子计算与量子模拟研究，计划在五年内实现单个离子阱中15-20个离子的量子相干操作，将单比特和双比特量子逻辑门的保真度提高到满足量子容错计算的要求，演示多种量子算法，将单量子比特相干时间提高到1000秒以上，设计并开发包括刀片离子阱、一体化离子阱和芯片势阱在内的多种新型离子阱技术。

2017年9月，金奇奂组对单量子比特相干时间的研究取得突破，将单个量子比特信息储存时间提升到10分钟。

2019年7月，金奇奂组实现四量子比特的全局纠缠逻辑门。与离子阱系统中传统的双比特纠缠门相比，该全局纠缠门有着与其基本相同的操作时长，意味着利用全局纠缠门不仅能够减小量子线路的深度，也能够真正缩短线路的运行时间。

虽然金奇奂组在离子阱领域已有不少成果，但似乎并没有产业化的意愿。这次启科量子透露正在研究离子阱量子计算机，可谓是一个大大的惊喜。

离子阱的未来：天基量子计算？

启科量子称，在量子通信、量子计算、量子传感领域均拥有自主核心技术和综合产品研制能力。但启科量子从2019年1月成立以来，暂时只有量子通信产品。启科量子高速城域网QKD设备QCS-280具有较强的竞争优势。

启科量子的研究团队由创始人陈柳平领导，曾任职美国MagiQ的总工程师。

MagiQ成立于1999年，国际领先的量子通信公司。2001年，陈柳平从克拉克森大学博士毕业后随即加入MagiQ。2003年，MagiQ推岀了全球第一套商业化量子通信系统“Navajo”。

启科量子的创始人：陈柳平(左)、李杨(右)

实际上，陈柳平也有量子计算的研发经验。2007年，陈柳平开始在国外负责开发量子计算波形发生器，精确和高速的任意波形发生器是控制离子阱量子计算的关键器件；同时陈柳平与哈佛、麻省理工、马里兰大学及杜克大学等机构合作，负责开发离子阱量子计算机项目。

从一些旧文来看，陈柳平于2011年在美国光学学会（OSA）发表一篇题为《用于量子计算的可扩展多通道射频脉冲发生器》的论文，这是由美国研究机构资助的项目。

据官网介绍，启科量子正在研发的是一台离子阱分布式全纠缠量子计算机，全纠缠可以保证良好的计算性能，而分布式可以使整个装置不必集中在一个100多平米的房间里。

这台量子计算机被命名为“天算1号”，从名字来看似乎与太空有几分联系。事实上目前已经有了天基量子计算的构想，因为宇宙可以完美解决低温和真空问题，不失为离子阱量子计算机的一种选择。

宇宙天然就是绝对零度的低温环境，符合量子计算粒子控制的要求。目前量子计算机的体积和重量非常大，其中主要原因是冷却系统，但如果在宇宙中，这庞大的体积和重量就都可以减轻。

而根据这个构想，未来量子计算产业有可能效仿云服务行业的商业特征，采取计算能力集中在宇宙，而向地面所需企业提供计算结果和服务的商业模式。

这样全球量子计算机将主要集中在距地面至少200公里的近地轨道上。在常温状态下量子计算机问世之前，通过云量子计算平台满足计算需求。

2016年，中国成功发射世界上首颗量子通信实验卫星“墨子号”，而未来如果将量子计算机发射到太空，还会是中国吗？

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1930年秋，第六届索尔维会议在布鲁塞尔召开。早有准备的爱因斯坦在会上向玻尔提出了他的著名的思想实验——“光子盒”，公众号名称正源于此。