量子計算機的“心臟”長啥樣？揭秘量子計算機核心部件--離子阱

    量子計算機前段時間著實在朋友圈火了把，這主要得益于中國科學技術大學陸朝陽教授和潘建偉教授導的科學團隊研發出10個比的超導量子計算機的重要成果。經過各大新聞的爭相播報，它現在不僅是“人盡皆知”，更讓我國在量子域步入行列。那么，量子計算機究竟是什么樣的呢？

    簡單來說量子計算機是個計算速度非?？斓挠嬎銠C，如果將現代的計算機比做自行車，那量子計算機就是飛機。但是對于它的長相，我們現在無法想象，就好比處在晶體管和電子管時代的人不能想象出超大規模集成電路的計算機長什么樣。誰曾想過智能手機芯片已經“完爆”了占地上千平方米的初期計算機呢！

    話不多說，今天就帶你看看現在的量子計算機長啥樣。目前初階段的量子計算機還真說不上高顏值，跟早期計算機樣，它的“身軀”遍布在實驗室的各處。但是談到關鍵部分，也就是量子計算機的“心臟”，那可就是“高大上”了。與現在計算機的CPU不同，量子計算機的核心部分是參與運算的量子比，通常來說是相干光子或離子。產生這些相干光子或離子的方法通常有超導環和離子阱兩種方法。其中超導環在多量子比拓展方面還有些困難，從而離子阱成為目前較為勢的手段。而無論是超導環還是離子阱，這些器件的穩定運行都需要苛刻的外界條件，那就是超高真空和低溫，也就是說他們要凍在抽真空的“冰箱”里......

Advanced microfabricated ion traps. LEFT: High-optical access (HOA) trap from Sandia National Laboratories (Image courtesy of Duke University). RIGHT: Ball-grid array (BGA) trap from GTRI/Honeywell (Image courtesy of Honeywell).

    上圖中的器件就是典型的芯片式離子阱，用于產生量子比的原子就在該芯片的中心位置被激發并被電磁場和庫倫相互作用所束縛。而下圖是為芯片提供超高真空和超低溫環境的Montana超精細光學恒溫器。該恒溫器具有超低溫（3K）、超高真空的點，并且提供多路自由光學通道和光線通道以及zui多可達100根電學引線，是量子計算機的“心臟”所在。（做為離子阱的標準裝置，圖片來源于Christopher Monroe發表在《Nature》旗下《量子信息》雜志上的綜述文章）。說完“心臟”的外觀，那這個心臟的能力如何呢？采用傳統離子阱式的量子計算機方案能做到多少比呢？預計是50個！不要小看這個數字哦，如果能夠完全用它們的相干性，那就是250個數據量，并且信息處理速度可以達到GHz。經過改進的新型離子阱預計可以達到1000個量子比甚至更多，計算能力和信息量也會大大增加，這會給以后的計算機帶來天翻地覆的變化。

Compact cryogenic UHV enclosure for trapped ions. (a) On-package vacuum enclosure, sealed in a UHV environment, that contains the ion trap, getter pumps and the atomic source. (b) Upon installation and cooling in a compact cryostat, the UHV environment is established. (c) The optical components can be arranged in a compact volume around the cryostat to support the ion trap operation.

    zui后再次祝賀Quantum Design的用戶陸朝陽教授和潘建偉教授在量子計算機域取得的驚人成就，希望祖國科研再上新臺階。

相關參考文獻：Co-designing a scalable quantum computer with trapped atomic ions. npj Quantum Information (2016) 2, 16034.