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最近，量子計算機領域迎來了一系列進展：前腳亞馬遜宣布推出新型雲量子計算服務Amazon Braket，後腳IBM就公告量子計算機達到量子體積64。國內，潘建偉團隊也已經表示——今年預計實現60比特量子計算機。
而近日，來自美國杜克大學和馬裡蘭大學的研究人員又破解一系列難題，並成功開發出了新型離子阱量子計算機，點燃了不少人對這一領域的期待！
據悉，研究人員首次設計了一個在低溫下工作的完全連接的32量子位追蹤離子量子計算機（trapped-ion quantum computer）寄存器。這個新系統代表了開發實用量子計算機的重要一步。
來自杜克大學的Junki Kim將在9月14-17日舉行的首屆OSA量子2.0大會上展示這一新型離子阱量子計算機的硬體設計。
與傳統的只能是0或1的計算機位元不同，量子計算機使用的是可以處於計算狀態疊加的量子位元。這使得量子計算機能夠解決傳統計算機無法解決的複雜問題。
大型離子阱量子計算機是量子計算領域最有前途的技術熱點之一，但要製造出具有足夠量子位元的計算機來進行實際應用，一直是個挑戰。比如背景分子碰撞會導致離子鏈破壞、驅動邏輯門的雷射束不穩定，以及來自捕獲電極會產生電場噪聲……
「在與馬裡蘭大學的合作中，我們已經設計並製造了幾代完全可編程的離子阱量子計算機，」Kim說。「這一系統是最新的努力，其中許多挑戰導致長期可靠性的解決。」
擴大量子計算機的規模
大型離子阱量子計算機將離子冷卻到極低溫度，使它們懸浮在超高真空的電磁場中，然後用精確的雷射進行操作，以形成量子位元。
到目前為止，在大型離子阱系統實現高計算性能一直受到背景幹擾離子鏈分子的碰撞，不穩定的雷射束驅動邏輯門看到的離子，並從捕獲電極電場噪音攪拌離子的運動通常用於創建糾纏。
在最新的研究實驗中，Kim和他的同事們採用了全新的方法來應對這些挑戰。離子被困在一個封閉循環低溫恆溫器內的局部超高真空外殼中，冷卻到4K溫度，振動極小。這種安排消除了由於與環境中殘餘分子的碰撞而引起的量子位鏈的擾動，並強烈地抑制了來自陷阱表面的異常加熱。
為了獲得乾淨的雷射束輪廓並將誤差降到最低，研究人員使用光子晶體光纖（photonic crystal fiber）連接拉曼光學系統（Raman optical system）的各個部分，該系統驅動量子比特門——量子電路的構建塊。
此外，操作量子計算機所需的精密雷射系統被設計成從光學臺上取下並安裝在儀器架上。雷射束以單模光纖傳輸到系統中。他們採用了設計和實施光學系統的新方法，從根本上消除了機械和熱不穩定性，為受困離子量子計算機創建了交鑰匙雷射器裝置。
研究人員已經證明，該系統能夠自動按需加載離子量子位鏈（ion qubit chains），並可以使用微波場（microwave fields）進行簡單的量子位操作。該團隊在實現糾纏門（entangling gates）方面取得了堅實的進展，以一種可以擴展到32個量子位元的方式。
在未來的工作中，該團隊計劃與計算機科學家和量子算法研究人員合作，將特定硬體的軟體與量子計算硬體集成在一起。這個完全集成的系統由完全連接的捕獲離子量子位和特定硬體的軟體組成，將為實際的捕獲離子量子計算機奠定基礎。
這項研究是由杜克大學的肯尼斯·布朗（Kenneth Brown）領導的由多個機構組成的軟體定製量子協同設計(STAQ)項目的一部分。
編譯/前瞻經濟學人APP資訊組
原文來源：
https://www.osa.org/en-us/about_osa/newsroom/news_releases/2020/researchers_on_a_path_to_build_powerful_and_practi/
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