IBM、谷歌量子领域劲敌，霍尼韦尔披露其离子阱量子计算机细节

工业巨头霍尼韦尔去年突然打破常规，入局量子计算。如今，该公司在一份同行评议的期刊上首次披露了其设备工作原理的具体细节 (扫描文末二维码进群获取论文完整PDF)。

与依赖超导量子比特的主要竞争对手谷歌和IBM不同，霍尼韦尔采用离子阱技术。这项技术由来已久，一些早期量子计算实验就是依靠这种方法。但扩展了量子比特数量之后，技术难题使它为其他技术所替代。

图1｜离子阱（来源：Project Q）

该技术在被称为离子的带电粒子的量子态上编码信息，这些粒子利用电磁场悬浮在真空中。离子阱量子比特比超导量子比特呈现出更多优势，例如它们保持量子态的时间更长，更不易出错。且不像超导量子比特只能与邻近的量子比特互动，离子阱量子比特可以很容易与更多量子比特互动。

但是，困在阱中的离子数量受限于传统器件的大小。尽管离子阱量子比特可以与更多量子比特互动，可离子阱设备要比超导设备慢得多。

2020年3月，霍尼韦尔在量子计算领域大放异彩，声称已经解决了这些问题，并创造了迄今为止最强大的量子计算机[2]。而本月初，他们在《自然》杂志上发表了一篇论文，披露了他们究竟是如何做到这一点的[3]。

图2｜离子阱量子电荷耦合器件计算机结构的演示（来源：Nature）

根据《物理世界》杂志的一篇文章[4]，霍尼韦尔的量子计算机基于2002年首次提出的量子电荷耦合器件 (QCCD) 设计，该设计通过穿梭离子解决了该技术的许多限制。在《自然》杂志上报道的设备有多达6个由镱-171原子排列成线的量子比特。

然而，与传统离子阱计算机不同的是，霍尼韦尔的设备并非使用单一静态电场来固定离子。该设备的198个电极可以实现独立控制，以动态地改变电场，使得量子比特可以上下移动以相互影响。

这样一来，所有量子比特连通性加强，对机器可以实现的算法的复杂性有重大影响。这种连通性的重要性实际上是由IBM首先提出来的[5]，当时IBM引入了量子体积测量方法，来帮助跟踪该领域进展。

简单粗暴地增加设备中量子比特的数量，只有在这些量子比特不易出错，且能够真正做有用的工作时，才会有帮助。因此，IBM的研究人员建议，量子计算机真正的测试标准是一个设备能够实现的最复杂线路的大小，以达到一定的可靠性标准。

由此产生的指标为量子体积 (QV)，2020年IBM在其27个量子比特的处理器上实现了QV64。但霍尼韦尔在论文中表示，由于其设备的连接性更强，且错误率较低，所以他们可以仅用6个量子比特，就达到IBM的QV64。

图3｜N=6的QV线路的传输和计时（来源：霍尼韦尔）

自从开展了此项研究，霍尼韦尔已经将其设备中的量子比特数量增加到了10个，据说现在可以达到QV512，尽管其结果还未经过同行评审。霍尼韦尔还简述了如何进一步扩展其设备中的量子比特数量。

它目前的线性系统最多可以容纳40个量子比特，但霍尼韦尔正在测试后续方案，看起来像是一个赛道，可以容纳更多量子比特。再下一个阶段是创建一个网格拓扑结构的处理器，然后将许多网格整合在一起，实现大型规模。

图4｜霍尼韦尔量子计算解决方案（来源：量子客）

但霍尼韦尔并不是唯一一家在离子阱技术领域取得巨大进展的公司，初创公司IonQ已经建立了一个离子阱量子处理器，用激光束阵列将离子连接在一起，而不是将它们穿梭在一起，其早期11量子比特原型机达到了QV32。

目前IonQ已经实现了32量子比特系统，同时降低了系统的误差。虽然其结果未得到独立验证，但IonQ声称其量子体积高达400万。

图5｜估计门误差和随机基准测试结果（来源：霍尼韦尔）

此次霍尼韦尔发表的论文中展示了一些前所未有的新内容，例如一些关键性能硬数据。霍尼韦尔表示，将一个离子从阱的一端传输到另一段所需最长时间为300微秒。

传输过程中产生的错误，例如将量子比特传输到了错误的位置，系统会自动检测到这些错误，然后重置整个传输过程，并从最后读取机器状态的地方开始计算。

这些错误的出现概率极低，在1000万次的操作中，系统只检测到了三次传输故障。

事实上，究竟何种技术路线才是最有效的还有待观察。且不管是哪种技术路线，要想超越最强经典计算机还有很长的路要走。但可以肯定的是，离子阱技术现已成为量子竞赛中的一个重要竞争对手。

封面：

Project Q

引用：

[1]https://singularityhub.com/2021/04/19/honeywell-just-released-details-about-how-its-quantum-computer-works/

[2]https://www.honeywell.com/us/en/press/2020/03/honeywell-achieves-breakthrough-that-will-enable-the-worlds-most-powerful-quantum-computer

[3]https://www.nature.com/articles/s41586-021-03318-4

[4]https://physicsworld.com/a/quantum-computer-based-on-shuttling-ions-is-built-by-honeywell/

[5]https://singularityhub.com/2019/03/13/ibm-introduces-quantum-volume-to-track-progress-towards-the-quantum-age/

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