如何打造高效率的商用離子阱量子電腦？

鴻海研究院於12月12日舉辦的「NExT Forum」中，便邀請到Quantinuum首席科學家Patty Lee分享漢威聯合在離子阱量子電腦的發現與成果。Patty於密歇根大學安娜堡分校獲得物理學博士學位，開發了用於離子阱中的量子邏輯閘的相位控制技術。她在加入漢威聯合前，曾於美國國家標準與技術研究所、美國陸軍研究實驗室和洛克希德馬丁公司擔任研究科學家。2016 年加入漢威聯合後，著重於研究離子阱量子電腦的量子電荷耦合器件（QCCD）架構。

為何選擇離子阱量子位元？

Quantinuum的H系列離子阱是基於QCCD架構，其特點是離子阱設備上擁有多個區域，能將離子移動到不同區域上執行量子操作。優點是可以保持短離子鏈，避免處理時過於複雜。即使系統中的離子數量增加，也可以保持高保真步態與非常低的串擾。Patty Lee表示，會選擇使用離子阱量子位元（trapped ion qubits）是為了使量子電腦達到最高性能。離子阱量子位元不僅滿足建構量子電腦必要條件的迪文森佐準則（DiVincenzo's criteria，是建構量子電腦的必要條件，包含系統具有可掌控的量子位元並具有可擴充性、能夠將量子位元的狀態初始化為簡單基準狀態、具有長相干時間、一組通用的量子閘且能測量特定量子位元），同時與其他量子位元相比，保真度和量子位元間連接性能方面都較為出色。

除此之外，系統還有一些特殊功能，例如能執行帶有條件的量子運算，以及根據量子計算中途的量測結果，來執行特定的量子邏輯閘並重置特定的量子位元。Patty解釋，這些功能可以讓使用者執行更有效率的量子模擬（quantum simulation），或重複進行量子糾錯（quantum error correction）。

在離子選擇方面，Quantinuum使用鐿171離子進行量子計算，並同時搭配鋇138離子進行協同冷卻，能在避免破壞鐿171離子量子態的情況下同時冷卻系統。

積極與不同企業合作，讓量子電腦解決問題

軟體方面，Quantinuum提供由劍橋量子開發與硬體無關的量子計算開發套件，使用者可以在無須了解硬體的情況下，透過它編寫量子程式，並自動翻譯且優化成對應各式量子電腦的程式，且能在包括Google，IBM，IonQ，Quantinuum等公司提供的量子電腦執行。

Quantinuum也積極的與各類企業合作，利用量子電腦解決問題，例如DHL和劍橋量子合作使用 VQE 算法（variational quantum eigensolver）優化包裝過程：尋找將不同重量和大小的箱子，放入最少量的大箱子中的方法，這樣的問題稱為背包問題（Knapsack problem），可藉由團隊的量子電腦來尋找最佳解決方案。

離子阱量子電腦的優勢？

現階段團隊有兩個Model H1的系統 ，運行十到十二個量子位元，這些量子位元的相干時間（維持量子資訊的時間）長達數秒鐘，系統測量和邏輯閘的保真度（fidelity）均在 99.5% 以上。目前H1系統已經達到1024的量子體積，量子體積（Quantum Volume）是IBM提出用來衡量量子電腦能力和錯誤率的指標。Patty Lee表示，這是現有量子電腦至今為止量測到的最高紀錄。

除了提昇H1系統的量子位元數目及保真度以外，Patty Lee也透露，未來團隊的目標是在新的H系列離子阱增加更多的計算區域，同時也會集成光學元件到離子阱上。她認為，離子阱量子電腦因為極佳的保真度及量子位元連接性能，比起其他的系統在量子糾錯上有著更小的計算資源消耗，因此非常有希望能達成容錯量子計算的目標。（撰稿者：施中右 Chung-You Shih / 滑鐵盧大學Institute for Quantum Computing (IQC) 博士候選人 / LinkedIn）

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