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揭秘!離子阱:量子江湖的“黑馬”

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中國科協(xié)、中科院攜手“互聯(lián)網(wǎng)+科普”平臺,深耕科普內容創(chuàng )作
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出品:科普中國

作者:欒春陽(yáng)(清華大學(xué)物理系博士)

監制:中國科普博覽

編者按:為了解前沿科技動(dòng)態(tài),科普中國前沿科技項目推出“帶你讀懂科學(xué)頂刊”系列文章,精選權威期刊的優(yōu)秀論文,第一時(shí)間用通俗語(yǔ)言進(jìn)行解讀。讓我們透過(guò)頂刊之窗,拓寬科學(xué)視野,享受科學(xué)樂(lè )趣。

近期,離子阱量子計算領(lǐng)域又雙叒爆出大新聞啦!國際頂尖期刊《自然》上發(fā)表了一篇論文,被審稿人盛贊為量子模擬計算領(lǐng)域的“巨大進(jìn)步”和“值得關(guān)注的里程碑”。

國際上最大規模的基于離子二維陣列的量子模擬計算

(圖片來(lái)源:參考文獻[1])

這是來(lái)自清華大學(xué)交叉信息研究院的段路明院士研究團隊做的研究,他們在國際上首次實(shí)現了高達512個(gè)離子二維陣列的穩定囚禁和邊帶冷卻,同時(shí)采用300個(gè)離子量子比特實(shí)現了可調耦合的長(cháng)程橫場(chǎng)伊辛模型(Ising model)的量子模擬計算。

這項研究工作突破了原先的多離子量子模擬計算的最高比特數目(61個(gè)離子量子比特),創(chuàng )下了國際上最大規模的基于離子二維陣列的量子模擬計算。

那么,到底什么是離子阱量子計算系統呢?這項研究工作又為何會(huì )受到如此廣泛的關(guān)注呢?

離子阱——能夠囚禁離子的“魔法陷阱”

對于“離子阱”這一概念,相信很多人是第一次聽(tīng)到,從字面意義上看,它可以被形象地理解為“離子+陷阱”。實(shí)際上,這也正是它最核心的兩個(gè)要素。其實(shí)你可以簡(jiǎn)單地理解為“能夠俘獲和囚禁離子的魔法陷阱”,這是離子阱量子系統的核心功能。

那我們?yōu)槭裁匆艚x子呢?離子阱又和我們經(jīng)常聽(tīng)到的量子計算有什么關(guān)系呢?

首先,離子其實(shí)就是帶電荷的原子,其內部存在天然穩定的能級結構。我們可以從離子的內部選取兩個(gè)特定的能級,從而編碼成為性能穩定的二能級系統(也就是量子比特)。

其次,對于單個(gè)囚禁離子中的二能級系統而言,我們可以將其中能量較高的狀態(tài)編碼成為/1?態(tài),而將能量較低的狀態(tài)編碼成為/0?態(tài)。與此同時(shí),由于離子內部能級之間的躍遷遵循量子力學(xué)中的概率性原理,因此單個(gè)離子的能量狀態(tài)可以處于/1?態(tài)和/0?態(tài)的疊加,從而作為離子量子比特參與到量子計算機的并行運算中。

離子量子比特的探測以及內部的能態(tài)操縱

(圖片來(lái)源:參考文獻[2])

換句話(huà)說(shuō),如果我們在離子阱系統中能夠穩定囚禁N個(gè)離子,理論上就可以編碼成為N個(gè)獨立的離子量子比特。隨后,在特定的激光光場(chǎng)以及微波場(chǎng)的驅動(dòng)下,這些離子量子比特便可以進(jìn)行2的N次方的并行量子運算,從而展現出超強的并行運算能力。

談到量子計算系統,可能各位讀者首先想到的是前段時(shí)期特別火熱的“超導量子計算系統”。其實(shí)早在1995年,兩位物理學(xué)家Ignatio Cirac(伊格納西奧·西拉克)和Peter Zoller(彼得·佐勒)就首次提出可以利用穩定囚禁的離子來(lái)實(shí)現量子邏輯門(mén)的操作,用以構建真實(shí)的量子計算系統。

近30年過(guò)去了,離子阱量子系統不斷發(fā)展并且逐步成熟,已經(jīng)成為現今主流的量子計算體系之一。

1995年,離子阱量子計算方案就首次被提出

(圖片來(lái)源:參考文獻[3])

離子阱量子計算系統的困境——有限的離子數目

既然離子阱量子計算系統的起步這么早,性能又十分優(yōu)異,離子阱量子計算在此之前的研究熱度為何比不上超導量子計算呢?

這是因為離子阱量子計算方案始終面臨一個(gè)難以解決的大麻煩,那就是單個(gè)離子阱系統中能夠進(jìn)行穩定囚禁的離子數目太少了。

主流的保羅型(Paul)離子阱,其中的離子會(huì )同時(shí)受到兩種作用力而處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài),其中一種是“束縛電場(chǎng)力”,就是通過(guò)人為施加“射頻+直流”的復合電場(chǎng)來(lái)束縛離子的運動(dòng);另外一種是“庫侖作用力”,這是存在于帶電離子之間內部的互斥相互作用力,并且遵循基本的庫侖定律。

受到“射頻+直流”的復合電場(chǎng)而處于束縛狀態(tài)的離子示意圖,軸向的黃色箭頭代表直流電場(chǎng),交變的綠色箭頭代表交流電場(chǎng)

(圖片來(lái)源:作者繪制)

在外界束縛電場(chǎng)力和內部庫倫作用力的共同作用下,多個(gè)離子會(huì )沿著(zhù)離子阱的軸線(xiàn)方向自發(fā)排列成間距為幾個(gè)微米的一維離子鏈,也被稱(chēng)為“離子一維構型”。

在實(shí)驗中,為了精確地操縱各個(gè)離子的量子態(tài),還需要利用聚焦的激光光束對各個(gè)離子進(jìn)行單獨的激光尋址操作。在此之前,量子物理學(xué)家們利用這種方法,分別在53個(gè)離子和61個(gè)離子的一維構型上實(shí)現了高精度的量子比特操控。

囚禁在離子阱系統中的離子量子比特(25個(gè)171Yb+離子構成的一維離子鏈)

(圖片來(lái)源:作者搭建的離子阱平臺實(shí)物圖)

然而,這種“離子一維構型”所能容納的離子數目極其有限,并不能滿(mǎn)足離子阱量子計算的大規模需求。

如果只是一味地將更多的離子保持在一維離子鏈的狀態(tài),就需要將外界的束縛電場(chǎng)力和內部的庫侖作用力再次平衡,從而不得不降低離子阱沿著(zhù)軸線(xiàn)方向的束縛電場(chǎng)力強度。但是,這又會(huì )導致離子鏈的軸向運動(dòng),更加容易受到外界電磁噪聲的影響,最終又限制了所能穩定囚禁的離子數目。

通常而言,室溫狀態(tài)下的單個(gè)離子阱只能穩定地囚禁幾十個(gè)離子的一維構型。就算提高離子阱的真空度,進(jìn)一步降低系統的環(huán)境溫度,目前最多也只能穩定囚禁100—200個(gè)離子的一維離子鏈。也就是說(shuō),一維離子鏈所能容納的離子數目,遠遠達不到未來(lái)的通用量子計算機所需的量子比特規模。

那么,在同一個(gè)離子阱系統中,如何才能穩定地囚禁更多的離子呢?

穩定囚禁更多離子的關(guān)鍵——擴展成二維結構,再低溫保存

其實(shí),要想進(jìn)一步拓展單個(gè)離子阱中的離子比特數目,理論上并不是很難。這是因為,只需將原先的“離子一維構型”升級成為“二維離子陣列”,就可以極大地提高離子阱的擴展性。

然而,要想在實(shí)驗上實(shí)現大規模的二維離子陣列的穩定囚禁,卻是一件極具挑戰性的任務(wù)。而這次段路明院士研究團隊實(shí)現高達512個(gè)離子穩定囚禁的關(guān)鍵,就是“二維離子陣列+低溫冷阱技術(shù)”。

首先,為了實(shí)現二維離子陣列,就需要對離子阱系統重新設置合適的“束縛電場(chǎng)力”強度,從而將原本的一維離子鏈擠壓成為二維空間中的離子構型。為此,該研究團隊設計并優(yōu)化了特殊的電極結構,并且采用一體化的加工方案制備出能夠穩定囚禁二維離子陣列的離子阱系統。

采用一體化加工方案制備出的特殊電極結構,紅色點(diǎn)陣即為二維離子陣列的示意圖

(圖片來(lái)源:參考文獻[1])

與此同時(shí),為了降低激光尋址操作時(shí)離子之間的相互干擾,該研究團隊進(jìn)一步增加了離子之間的距離。如此一來(lái),二維離子陣列中的各個(gè)離子都能夠被精確地操控,從而提高了整個(gè)離子阱量子計算系統的穩定性。

其次,為了維持二維離子陣列的長(cháng)期穩定性,還需要低溫冷阱技術(shù)來(lái)保證二維離子陣列處于超低溫狀態(tài)(-6.1K)。這是因為低溫環(huán)境能夠有效降低囚禁離子與背景氣體分子的碰撞概率,同時(shí)抑制離子本身異常的熱運動(dòng)效應。為此,該研究團隊將整個(gè)離子阱系統置于液氦環(huán)境中,從而顯著(zhù)地提高了二維離子陣列的穩定性。

高達512個(gè)離子二維陣列的穩定囚禁(171Yb+離子)

(圖片來(lái)源:參考文獻[1])

正是憑借著(zhù)上述的兩個(gè)獨門(mén)秘訣,段路明院士研究團隊首次實(shí)現了高達512個(gè)離子二維陣列的穩定囚禁,同時(shí)對其中的300個(gè)離子實(shí)現了單量子比特可分辨的量子態(tài)測量,創(chuàng )下了國際上最大規模的單量子比特可分辨的多離子量子模擬計算紀錄。

離子阱量子計算——實(shí)力強勁的“未來(lái)之星”

目前,離子阱量子計算系統分別創(chuàng )下了最高保真度的單量子比特門(mén)(99.9999%),最高保真度的雙量子比特門(mén)(99.94%),以及最長(cháng)的單量子比特相干時(shí)間(5500s),已經(jīng)被國際學(xué)術(shù)界公認為最有希望實(shí)現大規模量子計算的物理系統之一。

而就在前不久的4月16日,來(lái)自Quantinuum的離子阱研究團隊也公布了最新的進(jìn)展——它們研發(fā)的離子阱量子計算系統(型號:H1-1)的量子體積已超過(guò)一百萬(wàn)(220=1048576)。這里的量子體積是衡量量子計算機算力性能的綜合性指標,量子體積越大,量子計算機可執行的量子算法的規模與深度也就越大。

作為對比,《流浪地球2》電影中MOSS的量子體積也只有213,這意味著(zhù)離子阱量子計算系統比MOSS的量子體積還大了128倍!

2024年,注定是量子計算領(lǐng)域不平凡的一年,讓我們共同期待離子阱量子計算更多閃亮的新進(jìn)展吧!

參考文獻:

[1]Guo S A, Wu Y K, Ye J, et al. A site-resolved two-dimensional quantum simulator with hundreds of trapped ions[J]. Nature, 2024: 1-6.

[2]Blatt R, Wineland D. Entangled states of trapped atomic ions[J]. Nature, 2008, 453(7198): 1008-1015.

[3]Cirac J I, Zoller P. Quantum computations with cold trapped ions[J]. Physical review letters, 1995, 74(20): 4091.

[4]Li B W, Wu Y K, Mei Q X, et al. Probing critical behavior of long-range transverse-field Ising model through quantum Kibble-Zurek mechanism[J]. PRX Quantum, 2023, 4(1): 010302.

[5]Harty T P, Allcock D T C, Ballance C J, et al. High-fidelity preparation, gates, memory, and readout of a trapped-ion quantum bit[J]. Physical review letters, 2014, 113(22): 220501.

[6]Ballance C J, Harty T P, Linke N M, et al. High-fidelity quantum logic gates using trapped-ion hyperfine qubits[J]. Physical review letters, 2016, 117(6): 060504.

[7]Wang P, Luan C Y, Qiao M, et al. Single ion qubit with estimated coherence time exceeding one hour[J]. Nature communications, 2021, 12(1): 233.

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評論
尖刀情懷永遠跟黨走
大學(xué)士級
我國實(shí)現了,離子阱量子計算系統分別創(chuàng )下了最高保真度單量子比特門(mén),最高保真度的雙量子比特門(mén)。離子阱量子計算,是實(shí)力強強勁的“未來(lái)之星”,我國在這一領(lǐng)域又領(lǐng)先世界,值得點(diǎn)贊和祝賀!
2024-06-27
新風(fēng)科普????
學(xué)士級
離子阱技術(shù)是量子計算領(lǐng)域的一大突破,它利用電磁場(chǎng)捕獲離子,通過(guò)精確操控離子的量子態(tài)來(lái)進(jìn)行信息處理。這項技術(shù)因其高保真度和可擴展性而被視為量子計算中的"黑馬"。簡(jiǎn)而言之,離子阱是量子計算中的一種高效、穩定的量子比特操控方式,具有實(shí)現大規模量子計算機的潛力。
2024-06-27
科普科普知識的搖籃!
太師級
通過(guò)離子阱量子計算系統的最新進(jìn)展,特別是清華大學(xué)段路明院士研究團隊在《自然》雜志上發(fā)表的研究成果,他們實(shí)現了國際上最大規模的基于離子二維陣列的量子模擬計算。它展示了這一領(lǐng)域的技術(shù)突破和對未來(lái)量子計算的深遠影響。通過(guò)這樣的科普內容,我們可以更好地理解量子計算的基礎知識和其在現代科技中的重要地位。
2024-06-27