行业大咖共话离子阱量子计算机 | 量子纠缠π

光子盒研究院出品

12月8日，光子盒创始人顾成建与幺正量子CEO贺冉、启科量子副总裁韩琢相约《量子纠缠π》，共同剖析了离子阱量子计算行业的现状与未来。

01

技术：“保真度更高、拓展性更好”

超导和离子阱是实现量子计算的主流路线之一。最近，走超导路线的IBM推出了433量子比特芯片，而离子阱量子计算芯片至今量子比特数未破百，这是什么原因造成的？尽管量子比特数较少，但仍有大量公司布局离子阱技术，是否该技术具备其他技术没有的优势？实现和扩展离子阱量子计算机又需要哪些支撑技术呢？

顾成建：什么是离子阱量子计算机，基本原理、工程构造有哪些？

贺冉：离子阱是承载离子的一种陷阱。天然的所有物质都是由原子组成，原子有原子核和核外电子；当去掉一个核外电子后，就成为了离子。科学家利用天然离子内部电子能级来将它变成量子比特：使用电场制造一个势阱把这些离子抓住；离子会在空间中排成一排，或者排成二维、三维的阵列。通过激光操控这些离子的内部状态，就可以实现对量子信息的基本操作。

由于离子其实是带电的，它们之间会形成一个库仑作用力。科学家利用激光和库仑作用力，就可以实现不同离子之间的纠缠、进而实现更丰富的量子算法。

离子阱的大小和一个硬币差不多大，但是还需要把它放到超高真空当中：离子漂浮在空中很脆弱。还需要一些激光设备，激光器把激光分照到不同离子上面的光路；还有射频电场和静电场等一系列复杂结构来实现对每个离子的精确控制。

以上就是离子阱的基本构成和原理。

顾成建：为什么超导阵营比离子阱大很多？

韩琢：我分享一段历史。世界上第一家量子计算公司是加拿大的D-Wave，它们的量子退火机推动约瑟夫森结和低温技术向前发展。这之后，当谷歌和IBM选择量子计算技术时，它们选择了现有产业或工程最成熟的技术路线——超导技术。

不过，我要补充的是，世界上第一个量子逻辑门是在离子阱上实现的。离子阱的发展基于原子物理技术，原子物理的研究相对于超导来说存在劣势。所以在早期工程化发展方面，超导技术优于离子阱；但是基本在国家层面上，美国国家实验室、美国军方、美国情报机构等都基于离子阱技术。

顾成建：为什么离子阱量子计算机的比特数目都没有破百？

贺冉：比特数其实只是衡量离子阱性能的一个参数，不止有比特数量，还有操控比特的能力——这其实更重要。以“木桶效应”为例，相干时间、计算速度、线路深度、错误率、连通性等指标都是衡量系统的标准，如果比特数目过大、其他条件跟不上，系统算力仍然存在问题。

我也很好奇，IBM的433量子比特计算机的计算能力，公布的真实参数会有多少。

另外，离子阱量子计算机的比特数虽然只有20多个，但每一个量子比特都是“单兵”、素质强、错误率低、可以协同作战。如果用业内常用的“量子体积”指标来衡量性能，离子阱的量子体积远大于超导计算机。

顾成建：能介绍一下“量子体积”这个概念吗？

韩琢：量子体积的概念最早在2017年由IBM的学者提出，是结合了量子比特数目、量子比特间连接度和保真度的一个综合指数，所以没有具体的单位；但是，基本上我们认为这个数字越大越好。

离子阱的最大优势在这个指数上就可以体现出来。首先是它的量子比特间的全连接度，其次是它的退相干时间长；这两个优势弥补了量子比特数目少的缺陷，也使得离子阱路线仅仅以20个量子比特就可以实现4096量子体积。

在刚刚举行的Q2B量子产业大会上，霍尼韦尔也公布了他们的最新量子体积：8192。

贺冉：我再简单科普一下量子体积是怎么计算的。以8个量子比特为例，它可以操作多个量子门。其中最重要的是纠缠门，每对量子比特可以操作一次：8个比特可以操作8次；它的量子体积就是2⁸=256。如果假设8个量子比特间的相互作用非常好、可以相互操作100次，它们的量子体积还是2⁸，因为这时候受限于量子比特的数目。所以，量子体积受限于量子比特数目和操作线路的次数。

顾成建：离子阱的优、劣势有哪些？

韩琢：除了刚才说的保真度更高，我再补充一下。超导量子比特是由微纳工艺加工制造，必然是人造的，所以它无法保证每一个量子比特的绝对完整性和相同性，这样量子比特纠缠时就会产生瑕疵。离子阱应用天然离子，具有全同性，所以它们的相干时间特别长。

02

商业：“已经实现大量器件国产化”

回到国内，近年来目前已有多家离子阱量子计算公司成立，但在市场上这些公司似乎非常低调。为什么国内离子阱量子计算机的推出要晚于美国和欧洲？中国离子阱量子计算在全球处于什么地位？目前该领域存在卡脖子吗？

顾成建：离子阱的技术路线也有区别。IonQ最新的模型中包含了32个离子，排成一条链：为了让规模扩大到几百个量子比特，IonQ正在尝试用光子连接数个这样的离子链。霍尼韦尔的计划是让离子在一个巨大的芯片上穿梭移动，以便让所有离子互相关联起来。上述2种技术路线是否都可行？二位的公司分别都是哪条路线？

韩琢：IonQ现在所使用的是在一个阱中做的量子比特，技术是离子受激光照射后发出光子、光子-离子纠缠、将纠缠光子传送到另一边以使两个离子阱进行纠缠。今年年初IonQ还宣布将全部使用钡离子：因为它更适合光子-离子纠缠。IonQ通过把离子在不同陷阱里面的不同位置进行搬运从而使得不一样的离子阱纠缠、进行计算；这是两家在底层架构上的最大不同。启科量子的首席科学家罗乐师从IonQ的创始人Chris Monroe，所以启科选择的路线也是以这种分布式离子阱为导向的。

贺冉：这两个路线到目前为止的侧重点不一样。霍尼韦尔使用的是QCCD架构：利用分段式的离子阱，内部离子可以在里面来回穿梭、在不同的区域寻找激光进行相互作用；“光不动，离子在里面动”。IonQ的方案中，“离子不动，光动”，就是说声光调制器在离子阱外面寻址不同离子。

IonQ路线的优点是离子可以简单地实现相互作用，霍尼韦尔的技术路线若想达到这个效果，就需要把对应离子“挑”出来到相应区域，再去和激光相互作用；霍尼韦尔着重解决的是单个离子阱里容纳更多的离子。

不过，提升离子阱互联能力、扩展系统比特数目，是离子阱企业殊途同归的发展方向。我们公司在发展单个节点算力的同时，也要不断地去做量子系统的扩展和互联；这其中涉及到“光子连接”技术，IonQ在10几年前已经实现了两个离子阱的纠缠、去年因斯布鲁克大学也实现了两个离子阱相距500米的连接、牛津大学实现了两个离子阱相距2米的连接，所以“光子连接”技术在原理上没有任何困难。

顾成建：单个离子阱可以操控的离子数量有上限吗？

韩琢：世界上所有的东西都有上限。现在单个离子阱里面囚禁200至几百个离子是可以实现的，但是逻辑门的实现很有限。所以从理论上、技术上，单个离子阱囚禁的离子数目有上限；但是随着技术增长，离子数目也会上涨。我们选择分布式的路线，也是考虑到了这一点。

顾成建：离子阱的上游设备供给、器件供给存在类似于超导的被垄断的情况吗？国产化的供给情况如何？

韩琢：因为离子阱基于光电产业，而我国的光电产业居于全球先列。在我进行供应链、产业链调研的过程中，发现许多先进部件多产自美国、德国，不过并不存在超导或微电子工艺面临的“卡脖子”现象；在我和供应商进行讨论和研发途中，了解到目前基本每个关键部件都能实现国产、自主可控。

相信在今年年底发布启科量子的工程样机后，我们对于整个产业链的控制、国产自由度的把控上都会达到非常高的状态。

顾成建：再问具体一点，例如离子阱涉及的激光器、声光调制器等等，目前的市场供给情况如何？会对终端研发构成障碍吗？

贺冉：虽然离子阱涉及的器材很多、很杂，不过大部分器件都可以实现国产替代。虽然目前国外产品在某些指标上性能更好，所以我们实际使用的50%来自国外产品、50%来自国内，但近几年国内产品越来越丰富、性能也越来越好。

以激光器为例，以前大家用的多是TOPTICA公司的，现在国内也出现了很多国产激光器，包括半导体、光纤激光器，很多甚至在性能上已经超过了TOPTICA，我们也会选择TOPTICA和国产的一块去用。另外物镜我们国内已经实现完全自主了，电子射频等设备虽然对射频器件要求更高、但也已经实现国产化了，离子阱、真空器件更是如此。

所以整体而言，我们的小器件还会用到国外产品，不过国产比例已经相当高了。

顾成建：既然上游没有什么限制，二位公司什么时候能对外推出离子阱计算机整机产品呢？

韩琢：因为启科算是国内离子阱产业布局最早的一家企业，也是亚洲第一家离子阱量子计算公司。我们今年年底将推出20比特的工程样机、明年推出分布式商业用机。我们已经是在按照自己制定的技术路线、再往前推进的过程中了。除了工程机之外，我们也在自己的算法、量子软件体系上有所布局——不管是量子计算机还是经典计算机，都需要硬件和软件共同合作，才能实现商业价值。

启科量子在软件体系，特别是编译和开发体系、底层模拟器、开源化部署都已经进行了完整的第一阶段发布。所以，我们非常自豪：作为一家中国企业，我们在短短的2-3年时间就把离子阱从硬件、软件到应用部署了。同时，就像刚刚贺博士提到的，分布式是所有离子阱公司殊途同归的最终状态，我们也对分布式算法有所部署：今年我们发布了分布式量子算法的首个学术成果。

我期待在2023年，推出启科量子的商用量子计算机、软件和应用等。

贺冉：我期待年内我们公司的装修可以进展顺利（笑）。我们现在正在组建自己的队伍，希望感兴趣的小伙伴可以加入公司，一起做强、做大。

我们实验室在12年已经开始做离子阱了，应该算国内第一家做量子信息的实验室，目前正好有了10年的技术积累。我们现在也希望从实验室走出来、推动整个离子阱量子产业化发展。圈内的朋友应该都知道，我们做光纤和离子结合的路线、性能已经实现了很大改进；目前，幺正量子希望通过公司的模式，将这些技术推向一个可用的产品、提升算力的同时吸引更多用户。

“幺正”是郭光灿院士帮忙起名的，来自量子比特的幺正演化、英文中的Unitary。意味着许多量子比特在计算的过程中可以同时进行量子演化、形成一个整体，这时候它们的算力才是量子计算机。所以幺正演化是量子计算最核心、最难、最重要的部分，所以我们就叫幺正量子。

03

国际：“量子技术路线还未完全收敛”

从全球格局来看，2022年11月，德国宣布为开发离子阱量子计算机投资2亿欧元，金额超过了此前公布的超导项目。从公司分布来看，欧洲的离子阱量子计算公司较多，包括AQT、Quantum Factory、Oxford Ionics、Eleqtron，霍尼韦尔的Quantinuum在欧洲也设有总部。这是否说明了欧洲在离子阱量子计算领域处于领先地位？

顾成建：2020年6月，英国剑桥量子计算（Cambridge Quantum Computing，CQC）公司与美国高科技企业霍尼韦尔（Honeywell）的量子计算业务合并，新公司名字Quantinuum。霍尼韦尔的强大资源背景，是否意味着国内公司、其他量子企业会很难竞争？

韩琢：Quantinuum已经在全球有500多个员工了，如果将世界上所有量子计算机的核心员工一起比较，它的员工数绝对是全球前三。这就表示，Quantinuum已经在离子阱量子计算线路上有了自己的一席之地：这是一种强大的科研能力和拓展能力，对于我们离子阱同行来说，会是同样强大的信心注入。

根据9/10月份Quantinuum的市值估计表示，如果它上市，市值将是IonQ的十倍。这就代表这种以软硬结合加生态应用的全栈式量子公司，在未来将会有非常大的竞争优势。我们也认为最早探索离子阱量子计算机的道路必须是“软硬两条腿一起走路”：创造适用于硬件的算法、从而发挥量子计算机最完整的潜在算力优势，这是量子计算机相对于传统计算机不可缺失的碾压性优势。

顾成建：Quantinuum在相当于行业中的灯塔。那么站在国际竞争的角度来看，如果美国公司在做灯塔、中国公司跟随，我们会一直处于陪跑状态吗？

贺冉：一方面Quantinuum确实在行业内各个方面参数、技术都非常领先，另一方面也给我们带来了很大的竞争压力。中国本身离子阱起步较晚，而美国50/60年代就有相关发明了，它们的整个研发过程非常有历史悠久和代际传承；中国最早是00年代开始做，确实存在一定差距。不过，我们作为后来者，也可以从他们的技术发展路径上学到一些东西：不能说弯道超车，至少我们也在追赶。我们现在和欧洲、美国的人才数量也有差距。

现在国内离子阱也达到了十几家公司，因为目前量子技术路线还没有收敛，所以不存在“我们被他们碾压了”的态势；目前，我们也算是并驾齐驱。相信未来，我们会不断缩小差距、找到自己独特的路线。

顾成建：IBM、IonQ、Quantinuum都有明确的公开路线图，每半年要重复审核。国内企业有相关规划吗？

贺冉：国外企业有相关技术积累，所以它们对自己未来3-5年的路线会更自信。国内企业一边需要追赶、一边是在创新，所以我们的技术路线往往很难定。我相信所有公司内部都有自己的清晰路线图，但是否公开、什么时候公开，我认为需要等公司具备一定实力的时候才能决定公开。

韩琢：我特别同意贺总的观点。我们新兴创业公司、硬/深科技创业公司的早期优势在于灵活性，处于一个边学边走的过程中。特别是在中国，没有一家企业已经把量子计算、深科技创业的道路走出来过，之前的成功商业模式基本都是互联网创业，它和深科技创业完全不一样。

所以，整个中国目前不管从创业者角度、学者角度、创业学者角度、投资基金角度，大家都处于学习的过程中，因为以前并没有一条成熟的深科技创业模式。类比D-Wave成立于1999年，在上市前经历了23年的创业历程；这在中国几乎不可想象。

我认为2020-2022是中国深科技创业的元年。对于企业、创业者来说，其实是和政府、学者、基金公司、社会大众的一个磨合。过早地宣布长远技术路线，会把我们的灵活度降低；导致我们不能在学习先进国家的创业过程、技术路线中，去发展自己真正的优势：我们不能一昧复制、照抄IBM或者Quantinuum的技术路线。所以我们作为离子阱量子计算机在国内的先行者，需要慢慢去成熟自己的研发体系、研究体系、技术体系、工程体系：在接下来的2023年，启科量子将逐步公布短期、中期、长期的技术路线，再按照它去执行。参照华为，它们也不是再创业初期就公布了自己的技术路线，不过在过去几年，他们也正清晰地公布、实现了自己的技术路线。

顾成建：2021年上市之初，IonQ市值突破50亿美元，如今只有10亿美金，缩水巨大；2022年的收入预测1000万美金，亏损2000多万美金；今年IonQ还遭遇了做空，蝎子资本列出了17条做空IonQ的理由。如何看待市值缩水巨大？

韩琢：IonQ上市之后不是直线缩水、而是经历过今年的震荡。如果单从一家企业的市值升降来看，是很不客观的：我们需要换到一个大环境中看待。我现在看到的是IonQ的股票价格下跌了70%-80%，但是今年对于整个美股、科技/风险资产都是收缩的一年：因为今年美联储大幅调高了利率，所以资金对风险性资产都相应规避了。对比特斯拉，即使在它的营业额高速增长的过程中，也经历了50%的跌幅；加密货币、以太坊等风险资产的跌值都远超IonQ、Regitte、D-Wave等等。

再针对您刚刚提到的蝎子资本，他在22年5月出具了做空报告。报告发表之后，IonQ七天之内跌掉了30%-40%的股价；IonQ在三星期后公布了第二季度营收，股价立马回弹了约10%。所以市场其实对于蝎子资本的做空事件反应并不大，只是散户不理解离子阱量子计算机、量子计算整个背景的技术而产生的恐慌感。那本报告我读了，里面在技术上对IonQ的批判其实并没有太多，更多是管理问题。

整体来说，我认为放在整个宏观经济急剧下行的大环境来看，IonQ的表现还是及格的。

顾成建：量子企业在股市上市之前，估值常常高于二级市场，怎么看待一二级市场估值倒挂的现象？对于量子计算机行业来说，目前是否存在估值过高的现象？

贺冉：对于量子计算来说，不管悲观或是做空，是一定要布局发展的：当前电脑、手机的CPU更新几乎已经停滞了，为了进一步发展就不可避免会涉及量子领域。

我想讲的是人们对于量子计算、量子科技的期望和它实际能力的匹配。虽然我们已经进入第二次量子革命，但是目前所有量子产品都没有给日常生活带来明显影响。等待的过程中必然会有情绪波动，所以市场需要冷静。

韩琢：估值不是我们定的，是由市场定的。我非常同意贺总的观点，量子计算非常困难，也将是改变人类社会未来30-50年的发展态势。所以我们对于这件事全身心投入、也希望资本、国家能给寄相应支持。

究竟值多少？有一个价值是从经济角度考虑，另一个是从国家利益层面考虑。在深科技创业领域，国家其实也在做一系列资本退出机制，我们此刻也认为国内量子公司的价值物有所值。另外，我们也需要大量的持续投资，希望把这条创业之路“趟”出来，给后续创业者、投资者展现一个能带来丰厚经济回报的路线，这也是需要整个社会从资本、市场、创业者、国家政策角度一起努力做到的事情。

顾成建：韩总目前正在美国参加Q2B大会，请问美国官方和民间对于中国量子发展是什么态度？

韩琢：官方态度非常谨慎。我参加的几个论坛有一些分论坛就是美国官员、白宫量子办公室主持的。虽然没有明确不允许，但是基本已经把谨慎提到最高位了。包括我和美国头部量子厂商、潜在客户沟通，他们都希望我们之间可以合作探讨，但是我也能感受到美国政府对于中美竞争的悲观态度。

关于幺正量子：

幺正量子2022年7月成立于合肥市高新区，团队拥有20多年的深厚积累，聚焦离子阱量子计算产业发展。期待有量子计算，离子阱，冷原子，光学，超高真空，射频器件等相关背景的优秀人才加入我们，共创未来。公司邮箱:[e-mail]，微信/电话:[phone]，张经理。

关于启科量子：

国开启科量子技术（北京）有限公司（以下简称启科量子）由海外归国人员于2019年1月正式发起成立，总部位于北京中关村软件园，专注于量子通信设备制造与量子计算机全栈式开发，依托技术团队在量子信息技术领域二十年的优势技术积累与丰富产品经验，成为国内首家兼具量子计算、量子通信核心技术储备与产品研发能力的科技创新型企业，未来将设计并构建新一代量子互联网。

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