如果说在当今世界只想要关注一家量子计算机公司，那么在我心中这家公司就是IonQ，IonQ 由马里兰大学 和杜克大学教授 Christopher Monroe 和 Jungsang Kim 于 2015 年共同创立，IonQ 的硬件基于俘获离子架构，该架构源自 Monroe 在马里兰大学开发的技术以及 Kim 在杜克大学开发的技术（马里兰大学是世界量子计算研究的顶尖大学）
下面我们来一起看一下IonQ是怎么打造世界最有前途，最强（之一）量子计算机的，IonQ的量子计算机原理是什么？
原子可以制造更好的量子计算机
从本质上讲，量子计算机是一种使用量子系统（如电子自旋）来执行非常特定类型的数学的机器。
这种数学利用量子系统独特的复杂行为，即纠缠和叠加，来执行与基于经典物理学的普通计算机可以执行的计算根本不同的计算。一旦量子计算机足够强大和稳定，它们独特的计算能力将解决甚至超出最大超级计算机能力的改变世界的问题。
许多量子硬件开发人员将“合成”量子系统用于其量子位（简称量子比特），例如过冷超导线环、晶体硅中的故意缺陷或其他精心设计的量子系统设计。在 IonQ，他们采取不同的方法。他们使用自然发生的量子系统：单个原子。
这些原子是量子处理单元的核心。将它们困在 3D 空间中，然后使用激光完成从初始准备到最终读出的所有工作。它需要违反直觉的物理学、精密光学和机械工程以及对各种组件的细粒度固件控制
俘获离子量子核心的工作原理，以及为什么它们是当今开发中最有前途的量子计算平台？
工作原理
1）原子：大自然的量子比特
任何量子计算机最重要的部分是它的量子位（或称量子比特）。 IonQ 的量子位是电离的镱原子，一种银色的稀土金属。每个镱原子都与宇宙中的所有其他镱原子完全相同。
此外，一旦准备好处于特定的稳定量子态，它们就可以在很长一段时间内保持该状态——它们非常一致，可以用于有史以来最精确的原子钟之一
原子与离子
中性镱原子 (Yb) 和镱离子 (Yb+) 之间的唯一区别是一个电子，作为捕获过程的一部分，他们用激光将其去除。这一过程称为电离，使原子带有正电荷和只有一个价电子
2）捕获离子
一旦他们将原子转变为离子，他们就会使用一种称为线性离子阱的专用芯片将其精确地保持在 3D 空间中。这个小陷阱具有大约 100 个经过精确设计、光刻和控制的微小电极，可产生电磁力，将离子固定在适当的位置，与环境隔离，以最大限度地减少环境噪音和退相干
3）一个量子位，或者一百个？
IonQ不会止步于一种离子，这不会成为一个非常有用的量子处理器。他们可以（并且确实可以！）将任意数量的离子加载到线性链中。
这种按需可重构性理论上能够创建从一个量子位系统到 100 多个量子位系统的任何系统，而无需制造新芯片或更改底层硬件。迄今为止，他们已经在 79 个离子链上运行单量子位门，并在多达 11 个离子链上运行复杂的算法。
4）准备计算
在使用离子进行量子计算之前，必须让它们为任务做好准备。这有两个主要步骤：冷却，减少计算噪声并使我们的离子具有更好的量子位，然后是状态准备，将每个离子初始化为明确定义的“零”状态，准备执行算法?
接近零
使用多普勒冷却，可以创建高于绝对零千分之一度的一半的量子位，而无需冷却任何支持硬件。这是非常冷的，但为了获得最佳性能，需要变得更冷，尽可能接近绝对零。为了实现这一目标，他们使用了一系列基于激光的技术，称为解析边带冷却，来产生冷到几乎完全静止在原子水平的量子位
用原子计算
使用一系列称为门的操作来操纵量子位的状态进行计算，首先编码，然后对我们想要计算的信息进行操作。
为了执行这些门，使用一系列单独的激光束，每个激光束成像到一个单独的离子上，再加上一个“全局”光束。两束光束之间的干扰会产生一个节拍音符，该节拍音符恰好具有将量子位踢入不同状态所需的能量。
制造纠缠
量子计算中有两种基本类型的门：旋转（修改单个量子位的状态）和纠缠门（将多个量子位连接成纠缠态）。原生纠缠门是通过用精确的激光脉冲同时“拉扯”链上的两个离子而创建的。
这会在离子链中产生取决于量子位状态的振动。由于量子位相互作用的量取决于它们彼此之间的距离，因此这些不同的振动导致两个量子位之间的相互作用取决于量子位状态。操作结束时，振动消失，离子继续纠缠。
5）阅读答案
计算完成后，通过同时向所有离子照射谐振激光来读取离子的答案。这个过程会破坏创建的任何复杂的量子信息，并迫使每个量子位进入两种状态之一。
收集和测量这种光能够同时读取每个离子的塌缩状态——其中一个状态响应激光而发光，而另一个则不发光。我们将其解释为一个二进制字符串，其中每个发光原子都是 1，每个暗原子都是 0。
同样的计算，不同的结果？
读取量子信息具有挑战性。如果量子位在观察时不完全处于零或一状态，它就会有概率塌缩到这两种状态之一，其概率由其实际状态给出。在此过程中底层状态被破坏。这意味着如果我们想重复测量，我们不能只是再次测量——我们必须重新运行整个计算。
隔离离子
为了成功保存复杂的量子信息，量子位不能与任何东西相互作用。单个杂散氢原子与离子碰撞可能会破坏整个事情，破坏微妙的状态，使离子交换位置，或者将链条完全从陷阱中撞出来。
因此，我们将陷阱放入超高真空室中，抽气至约 10的负 11 Torr。在这个压力下，每立方英寸的分子数量比您当前呼吸的空气少大约一百万亿倍。
有多少次碰撞？
考虑真空压力的一个有用方法是空气分子的平均自由程——它在撞击另一个空气分子之前行进的平均距离。在室温和压力下，给定分子的平均自由程通常只有几纳米，相当于每秒大约十亿次碰撞。在超高真空中，平均自由程为几千公里，这意味着碰撞应该每 20 到 30 分钟才会发生一次。这使得链条高度稳定且寿命长。
6）把它们放在一起
一旦所有东西都进入室内，整个组件就会装进一个更大的外壳，并配有各种电气、机械和光学控制系统。
然后，这一切都连接到运行定制控制软件的经典计算机，经过大量校准，一台功能齐全的，世界领先的保真度执行门和运行算法量子计算机就准备好了
结语
目前IonQ的离子阱量子计算机已经可以通过亚马逊，微软，google的云访问
现在随着摩尔定律逐渐走向没落，人工智能需要的算力却在不断指数级增长，开发量子计算机，以量子计算机的算力作为人工智能的算力底座越来越成为新的开发热点，但是就像芯片和太空探索一样，美国已经切断我们量子计算相关合作研究，国内主要研究机构就是中科大潘建伟院士领导的团队，但是潘院士研究强在量子通信，据我所知目前阿里巴巴量子计算研究处于国内领先位置