访谈 | 启科量子的离子阱量子计算工程机研制

光子盒研究院

离子阱，又称囚禁离子，是一种利用电磁场将离子（即带电原子或分子）束缚在特定区域内的技术。通过激光或微波操纵囚禁离子的两个内能级就可以实现量子计算，基于这种技术研制的量子计算机被称为离子阱量子计算机。离子阱技术路线具有很多优势，例如无需极低温冷却，天然离子量子比特具有全同性、保真度高、相干寿命长，能通过离子-光子纠缠实现多台量子计算机互联等。

图1：离子阱芯片展示（取自于网络某个国际量子计算机公司）

离子阱技术路线是最早被用于实现量子计算的物理体系。1995年奥地利理论物理学家Cirac和Zoller提出了在离子阱系统中实现控制非门CNOT Gate，这是最早的量子计算具体实现方案。同年美国国家技术标准研究院Monroe和Wineland就在实验上利用Be+离子的内态和声子态的耦合，实现了CNOT逻辑门操作。此后，离子阱技术路线一直引领量子计算发展。近年来，离子阱量子计算机的工程化与商用化技术也随之得到飞速发展。

近年来，国际上涌现出一批研发离子阱量子计算机的初创企业，如霍尼韦尔旗下的Quantinuum、美国IonQ以及国内初创的量子计算公司启科量子。启科量子是亚洲首家以离子阱为技术路线的量子计算企业，已发布中国首套量子测控系统QuSoil和国内首台模块化离子阱量子计算工程机“天算1号”。启科量子持续推动着离子阱芯片、光电测控、高速时序与控制、量子算法库、量子应用等量子计算产品研发，与国内金融、生化药物研发、信息安全等领域的头部企业建立了紧密的合作关系。

离子阱量子计算技术是前沿物理研究的成果，涉及到先进光机电仪器等多个尖端领域，将复杂的实验室装置进行工程化实现是该技术路线得以成功的关键点。近年来，启科量子已在工程化方面取得了系列进展。在今年2月，启科量子发布了国内首台模块化离子阱量子计算工程机1.0（“天算1号”），该工程机已通过量子信息、原子物理、光电子学等领域权威专家评审，其综合工程化水平进入国际先进行列。

图2：启科量子离子阱量子计算工程机外观图

天算1号的发布标志着我国原子型量子计算机迈出了从关键技术突破、实验室研发、原理样机研制到产品工程化的关键一步，将成为未来量子计算产业发展的“助推器”。本次访谈，光子盒特别邀请到启科量子执行副总裁韩琢、启科量子首席科学家罗乐共同探讨离子阱量子计算机的工程化实践。

光子盒

目前启科的团队规模有多大？介绍一下研发人员占比和准入门槛？

启科量子团队已从2019年的十几人发展成现在的150多人，团队成员集中分布在合肥、北京、大湾区三地，其中研发人员占比接近70%。

启科量子

执行副总裁

韩琢

研发人员主要分为两种类型，一种是研发科学家，另一种是研发工程师。离子阱量计算机发展到现在，既是科研又是工程，既是工程更是科研，科研和工程混合在一起。往往在公司取得科研突破后，到产品具体器件这个层面时，我们又需要很熟练的研发工程师。

所以，在研发科学家的招聘中，启科量子特别注重原子物理、量子信息、光物理、数学等专业的博士。在研发工程师的招聘中，公司更注重具有光电、精密仪器和电子工程等经验的硕博人才。

光子盒：“离子阱是同时满足量子计算5项基本准则与量子网络2项基本准则的唯一物理体系，有望实现大规模计算和量子网络。”离子阱量子计算机构建量子网络，是启科最终的目标吗？

最终目标并不好定义。对于一个从事未来技术的企业来说，其最终目标应该服务于国家的战略需求和技术的发展趋势。从技术层面讲，随着技术的不断迭代更新，并不存在一个静止的最终目标。目前来说，通过离子阱计算机构建量子网络是启科量子具有里程碑意义的长期目标。

启科量子

首席科学家

罗乐

量子计算机不同于传统计算机。传统计算机的发展是从单机开始（如个人计算机、数据中心的超级计算机），逐步发展到计算机互联而产生互联网，即是一种从单机到互联的模式。由于量子系统具有非局域性特点，我们采用分布式的方法将量子计算单元相互连接，进而发展量子网络。所以，我们把用离子阱量子计算机构建网络作为一个重大的中长期技术目标。

图3：启科量子将设计并构建新一代量子网络

光子盒：介绍一下启科量子在量子计算领域的产品布局，对应的应用场景？还有哪些在研产品，在研产品的应有领域、场景有哪些？

韩琢：对于量子计算领域的产品布局，启科量子同时兼顾了量子计算的硬件和软件。

在量子计算硬件研发部分，启科量子近期发布了量子计算工程机“天算1号”。“天算1号”是我们未来分布式量子计算网络中一个节点上的前期工程验证机。启科量子将主要布局分布式离子阱量子计算机，之后还会将单一的工程机和量子通信结合，实现两台量子计算机乃至多台量子计算机的互联互通。随着相互连接的量子计算机数量增加，分布式离子阱量子计算机的整体算力也会进一步提升。在未来具有强大算力的分布式量子计算机可以通过运行对应的分布式量子算法，在生物计算、金融预测、物流优化等领域发挥巨大作用。

除此之外，启科量子还推出了模拟离子阱量子教学系统。该教学系统是一个可视化的实验教学系统，主要利用宏观的颗粒模拟离子阱量子计算的计算流程，为广大尚未熟悉量子计算的学生和科学工作者直观地展现量子计算原理。教学系统可用于线下的物理教学、公众的科普教育等方面。

在量子计算软件部分，启科量子推出了量子模拟服务器QuBox。QuBox使用经典计算机中的经典比特来模拟量子比特，且无需连接互联网即可享受量子编程体验，同时提供量子计算加速服务。QuBox目前已经通过了PKS体系（一套基于国产硬件和国产操作系统的全国产体系，也是原创的中国技术架构）的测试和适配。这是全国首个、也是唯一一个在信创体系下运转的量子模拟服务器。在量子计算发展初期，QuBox将主要满足有意愿了解、研究量子计算且对保密性、信创化有较大需求的企事业单位，其中可能涉及军工、电力运营商、国家科研院校等。

在量子计算软件部分，启科还推出了量子云OneQloud。OneQloud集成了所有启科量子现有和未来规划的量子计算相关硬件服务，为启科量子的公司客户自定义云环境以满足其特定的业务需求。OneQloud还将能为客户提供丰富易用的量子计算软硬件服务和体验。OneQloud在定位上是专注于量子的轻量化私有云平台，通过云计算扩大了量子计算应用的覆盖范围，可集成启科量子的软硬件产品和服务资源及一系列量子计算解决方案。在OneQloud上，启科还将继续增加量子算法库，让未来量子计算应用开发人员可以直接调用算法库和软件包，降低用户打造量子计算应用的难度。

罗乐：目前，量子计算机的发展正处于含噪声中等规模（NISQ）阶段。整个行业都在思考如何让量子计算发挥应有的效用，并能够解决实际问题。

我认为量子-经典混合技术可以重点关注。它可以使量子计算机在发展初期就发挥一定的作用，甚至产生很强大的技术价值。现在启科量子集合了多位量子计算科学家开展量子-经典混合计算研究，如资深量子信息专家邱道文教授等。

启科量子的量子-经典混合计算有一个显著特点是将量子计算机与我国PKS信创体系相结合。在经典计算系统的选择上，我们将启科的量子计算机和国产自研的麒麟+飞腾系统结合，并未采用英特尔的经典计算体系。这项结合不仅可以把启科的量子计算建立在完全自主可控的经典操作系统之上，还能借助量子技术的优势，为我国信创产业发展蓄势赋能，让我国信创体系“隧穿”到更高的层次。

光子盒：针对上述产品介绍与展望，启科有内部时间规划吗？

韩琢：启科量子的的时间规划需要基于整个量子计算行业的实际发展进程制定。在未来的3-5年内，量子计算机的发展还将处于NISQ阶段。在此期间，启科将持续提升离子阱量子计算机的性能，同时将向外界展示量子-经典混合计算在多个应用场景对算力提升的显著作用。5年后，启科量子会根据科学界的发展动向，实现多节点、分布式的大规模量子计算，届时比特数量达到万级。乐观地估计，在8-10年后我们有可能看到分布式离子阱量子计算机进化到大规模通用量子计算机阶段。

光子盒：作为离子阱技术路线的领头者，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？您更看好哪一技术路线？

罗乐：无论是借助离子在芯片上的输运，还是借助光子作为飞行比特实现多个离子阱系统纠缠，都是在规避大数量激光束精密控制这个离子阱技术工程难点。这两种技术都是可行的且各有优势，就目前的技术发展现状来看，不能简单地判断这两种技术路线孰优孰劣。

早在10年前，前述两种技术路线都已经得到了充分验证。我博士后期间的一个主要工作就是借助飞行比特将多个离子阱系统进行纠缠。这两种技术沿着不同的路径日渐成熟，现在逐渐出现了一些趋势——让两种技术真正地走出实验室并实现工程化。今年2月，英国科学家们首次证明离子阱的量子比特可以直接在两个微芯片之间传输。

启科量子会同时关注这两个方向，结合公司技术优势实现分布式离子阱量子计算机。无论是把两个芯片连接在一起形成分布式，还是通过光子将两个远距离的系统连接而形成分布式，都有利于减小单个节点上的工程难度。举例来说，假设需要实现100个量子比特的量子系统，我们可以采用2乘50或者4乘25的方式。一个相对较小的离子阱系统，其模式相对简单，可以采用现有的工程技术加以实现。在此基础上，再通过光子或者离子将几个不同的小模块连接，就能组成具有100个量子比特的离子阱量子计算机。同样是100个量子比特的量子计算系统，采用分布式实现的量子计算系统的运算能力固然比不上全连接的量子计算系统。但是，分布式的方式可以降低工程难度，通过牺牲一点性能来换取工程化的实现，总体而言是合算的。在未来的两三年内，启科量子希望利用分布式的途径实现离子阱量子计算机的跃进。

光子盒：您刚刚提到的实验是英国萨塞克斯大学(University of Sussex)和Universal Quantum团队，他们以创纪录的速度、精度首次证明了量子比特可以在量子计算机微芯片之间直接传输。这一研究证明了通过电场连接独立离子阱量子计算机模块的可行性，您怎么解读这一进展？

图4：图中所示两个量子计算机微芯片，量子比特以创纪录的速度从一个微芯片传输到另一个，成功率为99.999993%，连接率为每秒2424。

罗乐：在用激光操纵的离子阱中，光的逻辑门操作很快速，而且光操纵能实现离子阱中量子比特的全连接纠缠。英国的这个团队放弃了激光，采用梯度磁场进行操作，这一想法原型他们早在十年前就已经提出。为此他们牺牲了两点：

1）第一点，牺牲了逻辑门保真度。一个很强的磁场表面伴随有噪音，目前磁场操纵方式其噪音对于逻辑门保真度的影响高于激光。

2）第二点，牺牲了全连接性。如果用激光操纵一个离子链，可以把第1个离子和第50个离子纠缠起来；如果用磁场来进行操作，可以把第1个和第2个离子连接起来，但连接第1个离子和第50个离子就很困难，需要离子的输运，把两个离子放到近邻位置。

牺牲了这两点换取的优势是降低了激光束操纵的复杂度。激光光源和光学器件的集成一直非常困难。早在20世纪80年代，科学家们就提出了“光子计算机”概念，但光子计算机一直没有实现。其中一个原因就是光电的集成难度大。

但是这种技术路线也面临一个问题：芯片不能太小。因为这种方式不能实现离子的全连接，为了获得更强算力就必须增加量子比特数。如果芯片太小则无法满足算力需求。他们团队最开始计划制作大芯片。由于一个芯片上电流太大会产生很多问题，团队最终采用了几块小芯片间互相拼接的方法。该团队沿着这个思路一直走到今天，取得了一些进展。我个人认为这一进展对他们的技术路线具有非常积极的意义。同时，这一进展的意义也体现在实现了芯片之间高保真的离子转移。这一成果为使用激光进行量子逻辑门操作方向的研究人员提供借鉴，将两个芯片进行适当拼接。虽然每一个芯片都由激光操纵，但是在芯片之间，可以借助这种高保真的离子输运来减少单个芯片上的激光和光学器件复杂度。

光子盒：介绍一下启科最新离子阱工程机的技术路线和阶段性成就？

韩琢：今年发布的量子计算工程机是启科分布式技术上的一个重要节点，启科量子目前着眼于把两台工程机用光子连接起来，在今年和明年实现分布式量子计算工程机。

图5：分布式离子阱量子计算机

今年2月，启科发布了我国首台模块化离子阱量子计算工程机天算1号。在整体结构上，天算1号由工作环境控制、离子阱、光学、电子测控四大子系统构成，每个子系统又由若干模块组成。各个模块通过插箱方式实现了与整机系统上的互联，极大提升了模块更换的灵活性。研发团队还对各模块的空间布局进行优化，使整机更加紧凑。在操作方面，该工程机采用人机交互界面设计，对每个系统智能化控制，大大降低了量子计算机的操作复杂性，使过去只能在专业原子物理实验室完成的实验操作化繁为简，拓宽了离子阱量子计算机的适用范围。如包括电力、军工、金融等领域的科研院所，不再需要招聘物理博士来操作量子计算机，业内的知识专家就可以完成初步操作。

天算1号已得到国内量子信息、原子物理、光电子学等领域知名专家的好评，认为其综合工程化水平已经进入国际先进行列。天算1号的研制也标志了离子阱量子技术已进入了科研仪器的市场，也迈出了启科在量子计算产业化的一步，迈出了我国原子型量子计算机迈出了从关键技术突破、实验室研发、原理样机研制到产品工程化的关键一步。

光子盒：介绍启科量子计算领域的下一步发展规划？

韩琢：启科是以分布式离子阱量子计算机为核心技术，结合量子通信应用，发展未来的分布式量子算力，瞄准量子网络的前景。下一阶段，我们将完成百比特离子阱量子计算机的软硬件构建，并在此基础上开展离子-光子纠缠的量子信息传输研究，解决未来量子网络建设的技术难题。

启科要在发展中做科研、在科研中谋发展，既要保持一流的研发水平，同时也要为用户赋能，把业务做实。启科的目标是做中国量子信息领域商业化程度最高的一个公司，而不是拿着大家的钱来做众筹和做科研的一个团队。作为一家有社会责任的前沿企业，启科量子要为国家贡献价值。这也是企业存在的根本责任。

根据公司量子计算技术发展的既定计划和路线，天算1号是目当前乃至今后一个阶段内启科量子计算机的雏形。但是启科不仅仅是一个简单的仪器生产商，还是一个研发新科技的公司。从研发角度出发，量子计算的研发随时存在有新“爆点”或新突破。也许，今后会有其他架构的离子阱量子计算机出现。启科有极大的可能会提供一种不同构型的工程的样式。除了研发外，启科量子会结合上游单位：与芯片、光学、激光厂商跟进联系，尽量以产业化思维进行布局，共同打造完整的产业链。

在2023年和2024年，启科会在多个方面会有较大的一些进展。在我们量子计算机的推进上，今后也会给大家带来一些不一样的体会。

来源：

[1]http://www.qudoor.com/

[2]https://mp.weixin.qq.com/s/3V0t90yBdrzts0JoLF5zAg

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