去年12月，IonQ宣布将在新一代离子阱量子计算系统中采用钡离子作为量子比特，并表示钡离子将带来更低的错误率或更高的保真度。3月3日，IonQ公布了其新型钡基量子计算机的读出保真度，即状态制备和测量(SPAM)保真度，从99.5%提高到了行业领先的99.96%[1]。无独有偶，霍尼韦尔子公司Quantinuum的离子阱系统采用钡离子量子比特将SPAM保真度提高到了99.9904%——迄今为止所有量子技术中最高的。相关论文已经公开[2]。IonQ表示，钡量子比特将SPAM错误减少了13倍，换句话说，从每10000次计算的50个错误减少到每10000次计算的4个错误。因此，保真度从99.5%提高到了99.96%。正如我们在文章《量子计算机有哪些性能指标？分别代表了什么？》中提到的，量子计算机主要有三种错误：算法开始时状态制备不完美；运行算法时量子逻辑门不完美；读出结果时测量不完美。为了让量子计算机在保持准确性的同时进行扩展，必须减少所有三种错误源。系统中每增加一个量子比特，状态测量错误就会增加，这意味着随着系统规模的扩大，提高状态测量保真度对于计算机向用户提供准确结果越来越重要。假设量子逻辑门是完美的，平均99%的SPAM保真度会将系统的#AQ(即算法量子比特，算法运行时的有用量子比特)限制在100个左右；SPAM保真度为99.96%，就可以达到2000个#AQ。IonQ联合创始人兼首席技术官Jungsang Kim教授说：“我们已经证明，俘获离子比任何其他量子计算机架构产生更多的算法量子比特，今天公布的成果表明，我们的新钡量子比特已经为提高保真度铺平了道路，增加了减少状态测量错误的能力，这是IonQ在该领域明显领先的又一个方面。”IonQ系统中量子比特读出的示意图——为了读取离子量子比特的状态，该系统将一束特别调谐的激光照射在量子比特上，然后测量发出的光。Quantinuum团队使用非放射性钡-137形成的量子比特，实现了99.9904%的状态制备和测量(SPAM)保真度，这是迄今为止所有量子技术中最高的。研究人员认为，SPAM保真度需要达到99.97%至99.99%，才能达到逻辑错误率超过主要物理错误率的水平。研究人员可以使用可见光谱中的激光(一种更成熟、更容易获得的技术)来初始化和操纵量子比特。他们采用了两种方案，微波辅助光泵浦(MAOP)和1762nm窄带光泵浦(NBOP)，分别测得SPAM错误率为(14.8±1.7)×10−5和(9.6±1.4)×10−5，后者的SPAM错误率更低，对应保真度为99.9904%。
在七种离子中，钡-137的错误率最低，表格最后一列为SPAM错误率。Quantinuum表示，能够初始化非放射性钡-137离子只是第一步。目标是将这些离子整合到未来的量子硬件技术中。“我们相信使用非放射性钡-137离子作为量子比特是一条有吸引力的途径，可以实现越来越强大、可扩展的量子硬件，”Quantinumum总裁兼首席运营官Tony Uttley说[3]。长期以来，中性镱原子一直是离子阱量子计算机的离子来源。通过激光将镱离子转换成量子比特。但是使用镱存在挑战。因为需要昂贵的紫外激光器来操纵镱离子，并且结果可能难以测量。相反，钡离子更容易测量，并且可以更便宜、更稳定的绿光激光器来操纵。但在Quantinuum非放射性钡-137的研究之前，研究人员只能对钡-133原子实现较低的SPAM保真度，因为钡-133原子具有放射性，需要特殊处理。Quantinumum物理学家和技术负责人Anthony Ransford博士说：“所有人都不相信你可以用非放射性的钡-137来实现快速、强大的SPAM。我们能够设计一种方案，使我们能够初始化量子比特，并比任何其他量子比特更好地测量它们。我们是第一个这样做的。”参考链接：
[1]https://ionq.com/news/march-03-2022-barium-demonstrates-leading-readout
[2]https://assets.website-files.com/617730fbcf7b7c387194556a/62211b26eec38769e5954732_SPAM%20Results.pdf
[3]https://www.quantinuum.com/pressrelease/quantinuum-announces-a-world-record-in-fidelity-for-quantum-computing-qubits
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