又一个国家实验室选择离子阱量子系统

光子盒研究院出品

橡树岭国家实验室(ORNL)是美国能源部所属最大的科学和能源研究实验室。ORNL拥有众多的重要科学研究设施，包括世界上第二快的超级计算机Summit，以及价值14亿美元的散裂中子源。

ORNL在量子研究方面有长达20年的历史。2020年8月，美国宣布建立五个量子信息科学(QIS)中心，ORNL领导了其中一个QIS中心—QSC(量子科学中心)，将在五年内从美国能源部科学办公室获得1.15亿美元。

ORNL的研究主要是量子材料发现和设计，并没有一个完整的量子硬件系统。因此，ORNL从冷原子量子公司ColdQuanta定制了离子阱系统，这是后者量子研究即服务(QRaaS)部门的第一个项目。

QRaaS部门与ColdQuanta的量子计算和冷原子技术并肩作战，致力于发现支持政府和企业的突破性技术。橡树岭系统将应用缜密的工程设计，创建一个高性能和模块化的系统，能够快速测试低温电子设备、离子阱架构和系统集成策略。低温离子阱系统结合了ColdQuanta在其多个产品中展示的模块化设计和系统工程，以生产一个可靠的系统，该系统可根据客户对离子阱硬件测试和原型制作的需求进行定制。

近年来，离子阱设备越来越多地集成到低温系统中，以提高真空性能和降低噪声。俘获离子实验通常需要庞大的一次性真空系统，而低温实验又增加了另一层复杂性，需要更多的专业知识和时间来进行系统设计和构建。ColdQuanta的离子阱系统解决了这些挑战，集成电子器件的宏观真空室、有源和无源真空泵浦机制、原子源、热熔断体(即温度保险丝)、紧凑的螺旋谐振器和俘获电子器件，所有这些都包含在低温室内。

低温离子阱系统以通过以下方式促进量子应用：

●利用俘获离子的实验架构对于计算、计时和网络/通信等应用非常有用。

●鲁棒的实验硬件提供了高性能和灵活性，这对研究环境至关重要。

●低温环境下真空硬件的系统集成产生了高性能的紧凑型离子阱系统。

ColdQuanta量子研究服务部总经理Max Perez说：“ORNL的低温离子阱系统是ColdQuanta量子研究服务部门的完美项目，因为它进一步推动了量子在计算、网络和模拟等熟悉领域的应用。我们在ColdQuanta的使命是展示可用的量子技术如何让日常应用变得更好、更快和更高效。我们很高兴ORNL选择我们通过低温离子阱系统来帮助实现这一使命。”

成立一年来，由ORNL领导的量子科学中心(QCS)共计发表了61篇同行评议的论文，披露了6项发明，并启动了Poster Session和暑期在线学校，为帮助培养下一代量子科学家做好准备。

QSC的研究围绕三个重点领域展开：

1.量子材料发现和设计，研究和开发用于计算的拓扑材料的新特性；

2.量子算法和模拟，包括对量子系统和传感器的研究；

3.用于探索科学的量子设备和传感器，旨在为现实世界的应用提供前所未有的性能。

这三个领域分别由ORNL、洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)和费米国家加速器实验室(FANL)领导。

 量子科学中心(QCS)合作伙伴

QSC成立以来的科学里程碑包括：

●从量子计算机上的材料科学模拟中产生可以通过实验验证的精确结果；

●在量子材料系统中发现新的自旋动力学，可能实现拓扑量子计算；

●提高量子传感器在量子材料和暗物质发现方面的能力。

论文链接：

https://journals.aps.org/prxquantum/abstract/10.1103/PRXQuantum.1.020320

https://www.nature.com/articles/s41567-021-01191-6

https://www.nature.com/articles/s41534-020-00302-0#ref-CR1

QSC成员在今年4月组织了第一次Poster Session，为来自不同机构的研究生和博士后提供了与专家建立联系并展示研究成果的机会。该中心还在5月举办了由合作伙伴普渡大学主办的首届暑期学校。包括本科生和研究生、博士后和早期职业科学家在内的400多人报名参加了此次活动，该活动提供了关于该中心三个重点领域的课程，以及科学交流研讨会、量子编程实验室和聚焦于量子科学的未来和下一代研究人员的小组讨论。由于新冠疫情，这两项活动都是在网上进行的。

QCS中心主任David Dean说：“通过QSC和量子信息科学的其他项目资助，美国能源部为ORNL提供了一个机会，使其能够在该领域做出影响深远、改变世界的发现。”

大约在五年前，除了IonQ从事离子阱量子计算机研究，大部分公司和研究机构都在研究超导量子计算机。五年后，在量子计算领域，离子阱已经与超导分庭抗礼。随着工业巨头霍尼韦尔的加入，离子阱阵营日渐壮大。

仅从技术参数来看，超导在量子比特数量、门操作速度方面领先，离子阱在门保真度、相干时间、量子比特连接性方面领先。通过补充各自的短板，两种技术路线的竞争仍将继续。

目前，离子阱量子系统及相关公司广受关注。根据最近五年的谷歌趋势，在超导、离子阱和光子三大技术路线中，热度最高的是离子阱。

从10月7日以来，IonQ股价持续上涨，截至昨日收盘，累计涨幅为38.6%，总市值17.70亿美元。

 IonQ股价走势

在美国，从国家实验室层面来看，桑迪亚国家实验室在离子阱量子计算领域相对领先，目前已经公开其离子阱量子计算测试平台QSCOUT，桑迪亚计划在未来三年将系统从3量子比特扩展到32量子比特，以便科学家可以执行更复杂的测试。

随着橡树岭国家实验室也选择了离子阱量子系统(尽管量子计算只是用途之一)，说明在国家层面，美国对离子阱技术的重视程度越来越高。

参考链接：

[1]https://www.prnewswire.com/news-releases/coldquantas-newly-formed-research-as-a-service-division-embarks-on-first-project-with-oak-ridge-national-labs-301401126.html

[2]https://www.ornl.gov/news/quantum-science-center-marks-first-anniversary-looks-future

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