新的「陷離離子」算法可預測早期量子計算機的計算能力

用來增加早期量子計算機計算能力的算法的直觀描述。圖片來源：薩塞克斯大學Winfried Hensinger

• 薩塞克斯大學量子物理學家開發了一種算法，可以幫助早期的量子計算機最有效地執行計算
• 該團隊使用他們的模型來計算早期量子計算機的預期計算能力
• 他們的研究突出了「捕獲離子」方法相對於其他方法的根本優勢

薩塞克斯大學的量子物理學家創建了一種算法，該算法可加快當前正在開發的早期量子計算機的計算速度。他們創造了一種在量子計算機周圍路由離子（或帶電原子）的新方法，以提高計算效率。

Sussex團隊展示了如何使用他們的新「路由算法」最有效地完成這種量子計算機中的計算。他們的論文「全球連接的被困離子量子計算機的高效量子位路由」 發表在《高級量子技術》雜誌上 。

該項目的團隊由Winfried Hensinger教授領導，包括Mark Webber，Steven Herbert博士和Sebastian Weidt博士。科學家創造了一種新的算法，可以調節量子計算機中的流量，就像管理繁忙城市中的流量一樣。在捕獲離子設計中，量子位可以物理長距離傳輸，因此它們可以輕鬆地與其他量子位相互作用。他們的新算法意味著數據可以流經量子計算機，而不會發生「交通擁堵」。這反過來帶來了功能更強大的量子計算機。

量子計算機有望解決經典計算機過於複雜的問題。量子計算機使用量子位（qubit）以新穎而強大的方式處理信息。團隊首先分析的特定量子計算機體系結構是「捕獲離子」量子計算機，它由懸浮在晶片表面上方的具有單個帶電原子或離子的矽微晶片組成。這些離子用於存儲數據，其中每個離子都保存一個量子位的信息。在這種量子計算機上執行計算需要圍繞離子移動，這類似於玩Pacman遊戲，並且數據（離子）可以更快，更高效地移動，量子計算機的功能也就越強大。

在構建大規模量子計算機的全球競賽中，有兩種領先的方法：IBM和Google等小組關注的「超導」設備，以及蘇塞克斯大學離子量子技術小組使用的「俘獲離子」設備，以及新興公司Universal Quantum等。

超導量子計算機具有固定的量子位，通常只能與彼此緊鄰的量子位進行交互。涉及遙遠量子位的計算是通過一系列相鄰的量子位進行通信來完成的，此過程類似於電話遊戲（也稱為「中國低語」），其中信息沿一條人從一個人傳給另一個人。與電話遊戲一樣，信息鏈越長，信息越容易被破壞。實際上，研究人員發現該過程將限制超導量子計算機的計算能力。

相反，通過將新的路由算法部署到其被困離子體系結構中，蘇塞克斯大學的科學家們發現，他們的量子計算方法可以實現令人印象深刻的計算能力。「量子體積」是一個新的基準，用於比較近期量子計算機的計算能力。他們能夠使用Quantum Volume將其架構與超導量子位模型進行比較，在這兩種方法中，他們都假定了相似的誤差水平。他們發現，被困離子方法的性能始終優於超導量子位方法，因為他們的路由算法本質上允許量子位直接與更多量子位進行交互，從而提高了預期的計算能力。

薩塞克斯大學蘇塞克斯量子技術中心博士研究員馬克·韋伯說：

「我們現在可以預測我們正在構建的量子計算機的計算能力。我們的研究表明捕獲離子設備的根本優勢，而新的路由算法將使我們能夠最大化早期量子計算機的性能。」

薩塞克斯大學薩塞克斯量子技術中心主任漢辛格教授說：

「實際上，這項工作是朝著建立可以解決現實世界問題的實用量子計算機的又一個墊腳石。」

溫弗裡德·亨辛格（Winfried Hensinger）教授和塞巴斯蒂安·魏特（Sebastian Weidt）博士最近成立了衍生公司Universal Quantum，該公司旨在建造世界上第一臺大規模量子計算機。它吸引了一些世界上最強大的科技投資者的支持。該團隊於2017年率先發布了有關如何構建大規模陷阱離子量子計算機的藍圖。

參考：「全球連接的被困離子量子計算機的高效量子位路由」，馬克·韋伯，史蒂芬·赫伯特，塞巴斯蒂安·魏特和溫弗裡德·亨辛格，2020年7月7日，高級量子技術。