德国2.085亿欧元建造离子阱量子计算机，投资超过超导和光子体系

光子盒研究院出品

10月底，德国航空航天中心（Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt; DLR）宣布[1]，已经为离子阱技术的开发签订了合同。作为DLR量子计算计划的一部分，将在四年内创建量子计算原型机；合同的总金额为2.085亿欧元——这是欧盟政府为研究这项技术所做的最大单笔投资。这一投资超过了超导(5年7630万欧元)和光子(5年5000万欧元)体系。

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五大项目、投资2.085亿欧元

使用离子阱技术的量子处理器

“作为其量子计算倡议的一部分，德国航空航天中心正在授予五个项目的合同，目的是在离子阱的基础上创建量子比特。这项技术被认为是非常有前途的，将通过有针对性的研究进行探索。这使我们离可编程、容错的量子计算机又近了一步。”德国航天中心执行委员会主席Anke Kaysser-Pyzalla说：“通过商业和科学的密切合作，产生了协同效应，加强了量子计算生态系统，从而也为初创企业提供了新的机会。”

这些合同的总金额为2.085亿欧元，系统的逐步开发将分几个阶段进行。其中，Universal Quantum获得6700万欧元，eleQtron获得5000万欧元。

“到项目结束时，我们将拥有基于离子阱技术的量子计算机，至少有50个量子比特。同时，我们正在建立模块化系统，可以扩展到数千个量子比特。”DLR量子计算项目负责人Robert Axmann说：“我们创新中心的学术和经济环境使其成为持续发展的理想场所。”

初步项目中，由恩智浦半导体德国公司（汉堡）、eleQtron和Parity Quantum Computing德国公司（慕尼黑）组成的财团将提供一个10量子比特的示范模型，计划于2023年底开始运行。用户将能够使用这台量子计算机来获得离子阱系统的经验并推动其发展。

有两个项目涉及在一个芯片上建造至少有50个全功能量子比特的原型量子计算机。英国量子计算公司Universal Quantum的德国公司（杜塞尔多夫）和Qudora Technologies（布伦瑞克）和恩智浦半导体德国公司（汉堡）的联合体正在各自开发自己的系统。该芯片是可扩展的，这意味着可以增加量子比特的数量和计算能力。

在另外两个项目中，正在离子阱的基础上开发模块化、可扩展的量子计算机。这涉及到将几个芯片联网，形成一个通用的量子计算机架构。其特殊之处在于，每个模块都是自己的小型量子处理器，每个模块有10个量子比特。这种结构以后将发展为由许多具有数千个量子比特的芯片组成。Universal Quantum和恩智浦半导体德国公司/eleQtron/Parity Quantum Computing公司正在代表德国航空航天中心开发这些模块化的量子计算原型机。

未来，公司及其员工将能够利用汉堡DLR创新中心的办公室、实验室和一个无尘室。在这里和在乌尔姆的DLR创新中心，企业将受益于与DLR研究所和工作组的紧密联系，共同应对量子计算的挑战。

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创建离子阱量子计算机

储存离子的真空舱

捕获离子技术是建造量子计算机的最成熟方法之一。带电原子无法从离子阱中逃脱，因为它们被电磁场所限制。然后，激光、无线电波或微波可以有针对性地改变带电原子（离子）的状态，从而使它们成为量子比特，即量子计算机的组成部分。具体来说，离子阱量子计算机有以下几个优势：

1）相干时间较长。2021年1月，清华大学交叉信息研究院金奇奂研究组刷新了相干时间记录：首次在离子阱系统中实现了超过一个小时的单量子比特相干时间。

2）单量子比特门、双量子比特门保真度较高。其中，单量子比特旋转的保真度高达99.9999%；双量子比特纠缠中，超精细量子比特保真度高达99.9%，只有超导量子比特的性能可以与之相比。

3）状态制备和读出更直接。初始化和读出保真度数据比任何其他量子比特技术都好：使用激光测量使读出保真度在200μs内的检测时间超99.99%，在11μs内达99.93%[1]。今年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。

4）量子比特可重复性高。特定种类和同位素的所有离子在本质上是相同的，因此，处理系统中每个离子所需的微波或激光频率相同，每个离子有相同的相干时间。与其他技术相比，这提高了量子比特的可重复性，并限制了计算开始时需要的校准步骤数量。

“离子阱系统允许通用算术运算。它们不是专门用于解决特定的任务。”量子计算计划的项目经理Karla Loida解释说：“基于离子阱的量子计算机有很多优势：量子比特相对稳定，并提供超强的门控特性。这是构建高质量量子计算机的先决条件。在微芯片上的集成和创新的芯片设计意味着可扩展性现在已经触手可及。”建造所需的技术现在已经达到成熟。激光系统可用于提供必要的冷却和对量子比特的定向操作。在微芯片上的集成也已被证明是成功的。

作为项目一部分开发的量子计算机原型将被用于德国航空航天中心的研究和开发，并通过网络访问。

不仅如此，DLR正在支持各种技术项目的同步进行，并将自己的技能和重点领域用于相关的研究和开发工作。在接下来的四年里，作为量子计算倡议的一部分，DLR将建立具有不同架构的原型量子计算机，并开发相关技术和应用：DLR正在让公司、初创企业和其他研究机构参与进来，以便所有的合作伙伴能够共同取得重大进展。

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参与公司的态度

专家认为，要解决一些造福社会的最复杂的问题，将需要数以百万计的量子比特。为了实现这一目标，存在一些挑战：芯片（也称为模块）的可靠连接，以及冷却温度和其他工程要求。Universal Quantum的独特方法解决了这两个问题以及更多问题，允许模块像拼图一样连接，以扩展到高量子比特数量，同时只需要适度的冷却温度。

Universal Quantum公司首席执行官兼联合创始人Sebastian Weidt说：“德国正在帮助推动量子计算成为对社会有用的东西，在我们最近与英国政府取得的成功基础上，另一个主要政府正在成为我们明星团队和技术的支持者和客户。这是一个巨大的验证，证明了我们的技术是多么的独特和有前途，代表着我们在建造量子计算机的使命上迈出了一大步，这将有助于人们解决人类所面临的最大挑战。我们期待着将我们的技术扩展到新的市场，在我们最近的成功基础上，与与我们有共同价值观的伙伴合作。”

“我们的团队在开发我们的技术方面进行了密集的工作。通过DLR合同，我们达到了一个重要的里程碑，并得到了对我们技术质量的进一步认可，”Universal Quantum公司首席科学家、联合创始人兼董事长Winfried Hensinger教授说：“我们技术理念的关键是我们正在建造的量子计算机的内在可扩展性。我们的使命是解决我们这个时代的许多基本问题：这是在这条路上的下一步。”

参考链接：

[1]https://www.dlr.de/content/en/articles/news/2022/04/20221027_contract-awarded-as-part-of-the-dlr-quantum-computing-initiative.html

[2]https://medium.com/@universalquantum/universal-quantum-wins-67m-contract-to-build-the-fully-scalable-trapped-ion-quantum-computer-16eba31b869e

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