量子计算第一股IonQ：“小众”离子阱如何弯道超车
摘要：量子前哨与中关村产业研究院联合创作，针对全球范围内的量子信息科技，尤其是量子计算产业化方面的国家政策、技术脉络、活跃企业以及知名科学家等内容，进行系统性的介绍，以飨读者。这是此系列文章的第八篇。
IonQ是一家成立于2015年的初创公司，总部位于美国马里兰州，专注基于离子阱技术路线开发，包括软件和硬件在内的全栈量子计算产品。2020年7月，在中国“量子通信第一股”国盾量子上市之后，IonQ紧随其后于2021年3月成功在纽约证券交易所挂牌上市，率先摘得“量子计算第一股”的桂冠。
离子阱量子处理器概念图（图片来源：Forbes）
创办IonQ是“跳崖”一搏
IonQ公司科研团队源自美国马里兰大学和杜克大学，两位创始人在成立公司前均是离子阱量子信息处理领域的学术大牛。联合创始人兼首席科学家——克里斯·门罗（Chris Monroe）曾是美国马里兰大学物理学教授，联合量子研究所成员，获得过美国青年科学家与工程师总统奖（PECASE）。1987年，门罗从麻省理工大学（MIT）物理学本科毕业后，加入了科罗拉多大学（University of Colorado） 卡尔·威曼（Carl Wieman）和埃里克.康奈尔（Eric Cornell）的实验室（这两人后来获得了诺贝尔物理学奖），研究前沿的激光冷却和原子阱囚禁技术。
在博士后生涯结束后，门罗又入职美国国家标准与技术研究所(National Institute of Standards and Technology)，在另一位诺贝尔奖得主大卫·维因兰德(David Wineland)的指导下，研究用量子效应制造更精确的原子钟。这段工作经历让门罗意识到，他已可以从理论层面证明利用量子力学的计算机可以解决传统计算机无法解决的问题，如分解数字和破译密码等，但他还需要一位工程师帮助他将物理理论付诸实践。
金正尚（左）和克里斯•门罗（右）
(图片来源：IonQ官网）
于是，门罗找到了杜克大学电气与计算机工程系以及物理学教授，金正尚（Jusang Kim）。同样专注于离子阱量子信息处理的金正尚，凭借在工程领域的专业技能与门罗形成了完美互补。从2009年开始，两人在政府资助下携手开发基于离子阱技术的量子计算机。2015年两人联合创立了IonQ公司，用门罗的话说是“携手跳下了悬崖”，开始了他们量子计算机的商业化之旅。
公司一经成立，便吸引到美国新创企业协会（New Enterprise Associates）的200万美元种子轮投资，并在随后的三年先后从GV、亚马逊和美国国家能源局获得共2000万美元资助。成果是2018年12月，公司宣布成功建造了两台具有160个存储量子比特，和79个运算量子比特的离子阱量子计算机，已然超越谷歌当时在测试的72量子比特的Bristlecone处理器的超导量子计算机。另一个突出优点是，IonQ的量子计算机并不需要在极低温环境下工作，室温条件即可运行，且具有可编程性。这台量子计算机所用的捕获技术是捕获了悬浮稀土元素镱的单个原子，并使用精确瞄准的激光束存储、处理信息并从原子中检索信息。
几天后，门罗在QC Ware主办的量子行业大会（Quantum to Business Conference）上披露了更多关于其首台离子阱量子计算系统——IonQ System One的技术细节，并对比了其与IBM和Rigetti两家超导路线量子计算机的基准算法表征结果（由第三方调查机构提供数据）。IonQ获得了全胜，甚至在BV10算法中只有IonQ的计算机得出了最终计算结果。而在此次展示之前，主流媒体对于量子计算技术路线的探讨几乎是一边倒的倾向超导路线，如今IonQ以一己之力将离子阱这一“小众”路线带入公众视野。
基准算法比较（图片来源：IonQ在Q2B大会上的展示）
“离子阱”弯道超车“超导”量子计算
2019年，凭借出彩的技术参数，IonQ顺利获得了由三星和阿布扎比穆巴达拉联合领投的5500万美元投资，并与微软与亚马逊建立合作，搭建了量子计算云平台，使部分用户和研究者可以通过云接入其量子计算系统。与此同时，公司还吸引到时任亚马逊Prime工程总监彼得·查普曼（Peter Chapman）加盟成为公司的CEO。
查普曼的父亲是一位NASA的宇航员，他从小便对前沿科技充满了兴趣与好奇。16岁起，他便开始在MIT的人工智能实验室进行研究工作，在过去40年的软件工程职业生涯中，他曾创立电子游戏公司，发明了世界上第一个用于股票和商品市场的全自动算法交易系统，帮助亚马逊实现了隔天送达服务。查普曼的梦想是实现通用人工智能，也就是强AI——能够匹配人类学习和理解能力的系统。量子计算让他看到了希望：查普曼认为量子计算机可以模拟神经元突触之间的化学作用，从而使强AI成为现实。
2020年10月，公司宣布开发出世界上功能最强大的量子计算机，该计算机搭载32个低量子门错误的完美量子比特，量子体积达400万，这远超过了霍尼韦尔在前一天刚刚发布的128量子体积的量子计算机。
IonQ第二代量子计算机（图片来源：IonQ官网）
新机型发布后一个月，IonQ宣布在马里兰州的探索区扩建了2200平方米的量子数据中心，用于容纳这台目前最先进的量子计算机，还挖来谷歌量子工程团队的戴夫·培根（Dave Bacon）和剑桥量子计算公司（CQC）的前首席商务官丹尼斯·拉夫纳（Denise Ruffner），分别担任软件部门和业务发展部门的副总裁。在新场地和新鲜血液的加持下，IonQ于两个月后正式发布其量子计算机发展蓝图，阐明在2023年之前部署联网的模块化量子计算机的计划，并预计于2025年让量子计算机取代超级计算机解决重大问题。
IonQ计算机研发路线图（图片来源：IonQ官网）
进入2021年，蛰伏了6年的IonQ开始在商业化的道路上加速狂奔。首先是年初再获700万美元的B轮附加融资,投资者包括洛克希德·马丁、德国博世风险投资公司和Cambian Capital 。接着在2021年1月，IonQ宣布与韩国量子信息研究支持中心(Q中心)达成为期三年的联盟合作关系，使韩国各地开展的研究和教学活动都可以使用IonQ的离子阱量子计算机，促进韩国量子信息科学技术发展。
2021年3月，IonQ又与dMY Technology Group III 签订并购协议，通过SPAC方式IPO上市，成为“量子计算第一股”。公司表示将用上市筹得的资金，研发一种大小类似于Xbox游戏机且能在室温下工作的量子计算机，以及一种可联网的模块化的量子计算机，两款产品预计到2023年完成并发布。
2021年4月，IonQ宣布将旗下量子计算平台与IBM的开源量子软件开发工具包Qiskit全面整合，包括政府、企业、创业公司等在内的Qiskit用户无需编写任何新的代码，就可直接向IonQ高连接性高保真度的11量子比特系统提交程序。商用落地方面，IonQ表示他们已与能源风险投资公司共同探索利用量子计算力量对抗气候变化问题；与现代汽车公司和起亚公司等客户达成战略合作，解决材料设计、供应链物流等棘手问题。
IonQ的上市材料显示，公司2021年的收入预计为500万美元，未来五年的年均复合增长率为150%，预计在2025年实现盈利，在2027年实现现金流盈亏平衡。展望未来，如dMY首席执行官尼依格罗·德玛西（Niccolo de Masi）所说：“ IonQ的路线有可能代表着计算机的未来，它具有极大地改变我们的世界的能力。”
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