近日，美国知名量子企业——Quantinuum公司发布了一系列新进展：3月，公司发布二维网格新架构，宣称解决了其离子系统不可扩展的问题；4月2日，Quantinuum又和Microsoft Azure Quantum共同展示了他们在容错量子计算领域的新进展——通过容错的编码和纠错，实现了逻辑比特的错误率低于物理比特的盈亏平衡点；16日，他们在最新的博客上公布了在H1系统中实现了超高保真度的单比特门[99.9979(3)%]和双比特门[99.914(3)%]，量子体积达到了220。这一系列成果引发了学界和企业界对于离子阱量子计算的热议。
墨子沙龙特别邀请了中国科大离子阱量子计算的研究者，为读者们解析这一系列研究究竟“牛”在哪儿，并讨论其对离子阱甚至整个量子计算界可能产生什么样的影响。
平均保真度3个9，
比Moss量子体积大128倍的H1系统
Quantinuum公司在4月16日在博文中宣布最新进展——他们的H1【1】离子阱系统中任意两比特门的平均保真度达到99.914(3)%，单比特门的保真度达到了99.9979(3)%。这代表着该系统可以在维持相同保真度的同时运行线路更深的量子算法。同时，Quantinuum还宣布其离子阱量子计算机的量子体积（QV）已超过一百万。
什么是H1离子阱系统呢？
▲真空腔里的H1芯片
H1是Quantinuum的第一代离子阱系统，它在装载离子的芯片上搭载了复杂的电极排布，用测控系统精确地操控单个电极的电压来推动带电的离子，以实现离子位置的移动和交换（Ion Shuttling）。这样的设计被称为QCCD（Quantum Charge-Coupled Device）架构。H1系统由以下几部分构成【2】：
▲H1 有五个并行门操作区域，系统最多可使用 20 个量子比特。171Yb+ 离子（红色圆圈）始终与 138Ba+ 离子（白色圆圈）配对，用于协同冷却。
最左侧灰色区域用于载入离子，绿色的区域用于被称为辅助区用于离子的输运，红色的区域被称为拓展门区用于进行离子的交换操作，而蓝色区域为门区域用于初态制备，单比特门和双比特门操作以及测量操作。
这次H1系统中实现的两大突破分别在于保真度和量子体积。
保真度是用于衡量操作量子比特达到的状态与理想状态之间的相似程度。众所周知，量子比特的状态非常脆弱，很容易受到环境干扰的影响，一旦被环境影响，就会出现计算误差。特别是如果误差步步累计，最后的结果就与理想结果差之千里。所以，量子计算需要尽可能减小每一步的误差，计算过程中的误差越小，对量子比特的操作就越完美，保真度就越高。所以保真度一直是量子计算领域最重要的指标。之前在离子阱系统中双比特门的保真度只在两个量子比特的系统中达到三个九，而这次在二十个离子的系统中任意两个离子的双比特门保真度都达到了三个九，证明了其路线的可拓展性和量子比特操作的高质量性。
▲来自 H1 的五个门区（虚线）的两个量子比特的保真度以及所有五个门区的平均值（蓝色实线）。
而量子体积是什么意思呢？一个量子计算机的算力大小主要需要从量子比特数目，量子比特的连接性以及量子操作的保真度三个方面来考虑，而量子体积就是综合了这三个指标衡量量子计算机算力强弱的关键指标。量子体积越大，可执行的量子算法的规模与深度也就越大。在《流浪地球2》电影中，MOSS的量子体积仅达到213，而该实验系统的量子体积为220，比MOSS的量子体积大了128倍，成为了目前世界上量子体积最大的量子计算系统。
▲Quantinuum旗下的量子计算系统的量子体积随时间变化
实现Break Even的H2系统
在Quantinuum公布H1系统“三个九”成果的前半个月，他们和Microsoft Azure Quantum合作用量子纠错，在H2系统实现了break even的逻辑贝尔态，此工作与4月2日发表在Arxiv上。
▲H2的芯片
H2系统是Quantinuum新一代离子阱系统。H2系统沿用了H1的QCCD架构，不仅升级了可独立控制电极数目，还把离子区做成了环形跑道形状（下图所示）。这有利于量子比特的复用和并行的控制，且可以更灵活地调控离子的位置。
▲Quantinuum H2系统结构示意图
在H2系统上实现break even，这又意味着什么呢？
目前实现通用大规模的量子计算面临的主要挑战之一是量子比特极易受到噪声的影响。一个解决此问题的方案是量子纠错码，把多个物理量子比特编码成一个逻辑量子比特来降低出错率。这本质上是在用信息的冗余换取信息的稳定性。比如经典通信中，我们可以把一个比特的数据（0或是1）复制三份（变成000或111）来作为一个逻辑比特，当单个比特的出错率低于某个临界值时，逻辑比特的出错率就会比单个比特的出错率更低，从而实现更稳定的信息传输，达到这个由“亏”到“盈”的临界点被称为break-even point。
在之前的表征中，H2系统在态制备和测量（SPAM）任务上把出错率降低到0.15%，在两比特门任务上把出错率降低到了0.14(1)%，量子比特重置的串扰（cross-talk）达到≤2×10-5。且整个系统具备量子比特的长程连通性，能实现在线路中的测量【3】。
这次，H2系统实现的是逻辑贝尔态的Break Even。
纠缠是量子信息的重要资源，作为最简单的纠缠态，在过去的20年里，贝尔态的制备和测量的保真度一直是衡量量子计算机性能的一个重要基准。当引入量子纠错码时，这条基准自然地从物理比特延伸到逻辑比特层面。
在此工作前，只有一个工作能做到在逻辑贝尔态上略微地越过break-even point【1】，而此次Quantinuum的工作实现了逻辑贝尔态的出错率比物理贝尔态小最高800倍的突破，远远越过了break even point。
根据文章的描述，Quantinuum这次用了两种量子纠错码来制备逻辑贝尔态，分别是Steane code和Carbon code。整个制备逻辑贝尔态并纠错的流程可以概括为：逻辑态制备、使逻辑初态变为叠加态的逻辑Hadamard门操作、在两个逻辑比特间做逻辑CNOT门，制备逻辑贝尔态、纠错测量以及测量与后处理。这个流程中加入了带预选择的态制备、纠错测量和测量后的结果后处理，每一步都是以增大信息在冗余度上的开销为代价，降低信息的出错率，有些冗余是通过额外的辅助比特引入的，有些则来自于需要多次运行实验。
实验上，Quantinuum用物理比特出错率与逻辑比特出错率的比率来定义增益（gain），在Steane code 上，实验分别对仅有预选择/预选择+后选择实现了9.8/500的增益；而在Carbon code上实现了4.7/800的增益。这种突破性的比率显示其远远实现了“扭亏为盈”。
重复的容错纠错
用量子计算机解决实际问题需要量子线路具有较大的深度，而错误会随着线路的深度不断累积，因此未来有实际应用价值的量子计算，需要实现在线路中的、可重复的纠错，把错误率一直维持在一个较低的水平。H2系统最近的工作堪称容错纠错道路上的里程碑【6,7,8】。
与之前的工作相比，Quantinuum此次在Carbon code上实现了至多3轮的重复纠错，发现在纠错中积累的出错率已经和在物理比特层面做一系列CNOT门积累出错率相当。在更短的线路中逻辑比特的出错率积累能达到比物理比特的一系列CNOT门更低。
这一方面归功于H2 系统高保真度的量子操控和态探测,另一方面归功于整个线路对Carbon code 做了专门的优化。按文章中的描述,在做重复的容错纠错时， Carbon code内部的两个逻辑比特之间的逻辑 CNOT 门可以通过交换量子比特实现,即在实验的过程中不需要对量子比特做任何物理实质上的相互作用，而仅是交换了两个离子的位置，这对于具有全连通性的离子体系来说相当于交换了两个离子的编号。
Carbon code的具体定义和细节目前并未公布，但相比外界的欢呼，笔者对这一技术持怀疑态度。笔者认为，通过交换量子比特的方式不可能实现一个通用的逻辑CNOT门，即不能对任意态输入实现CNOT门操作。因为没有实质上的物理相互作用，而是单纯的交换位置，线路永远不可能把一个非纠缠态的输入变成纠缠态输出。
离子阱备受关注，量子计算未来新趋势？
从以上的解读中我们可以看出，Quantinuum在量子操作高保真度、量子比特可扩展性和容错纠错方面都交出了成绩优秀的答卷。这也使得离子阱量子计算成为最近业内关注的热点。然而离子阱量子计算的研究仍有极大的潜力，比如在量子比特的扩展性，Quantinuum公司也在继续探索新的架构，他们在2024年3月份公布了其二维网格状的量子计算系统，该架构可以将控制离子移动的电级控制在与量子比特数相当的水平【9】，保证了该离子系统的可扩展性。
▲Quantinuum公司正在探索中的二维离子阱架构
根据Quantinuum公司的判断，若将这些技术综合应用起来，在其更大的二维架构上实现三个九的双量子门，同时，应用纠错阈值更高的量子纠错编码，便可以使用量子逻辑比特来运行实用的量子算法，进一步推动量子计算的商业化和实际应用，以解决现实世界中的复杂问题。这大概也是Quantinuum公司在技术上如此布局的思路。
离子阱量子计算是量子计算界最早开始科学向产业化进军的方向，虽然超导量子计算和光量子计算率先取得了量子优越性，离子阱量子计算领域并没有因此停下脚步，而是向容错纠错的新方向攀登。离子阱量子计算是否会由于其在容错纠错性能方面的优势，成为量子计算界的新趋势？笔者也就Quantinuum公司发布的系列进展询问了同领域的专家，中国科学技术大学的汪野教授和张颉颃教授。
汪野老师认为Quantinuum公司这一些系列进展巩固了离子阱平台在所有量子计算平台中的领先地位，展现了离子阱平台精度高和擅长跑复杂量子线路的特点。他非常佩服Quantinuum的团队和决策人能够长期坚持自己的科学判断，不被噪声干扰，专心把工程和技术推到极致，扎实的推进系统的性能。Quantinuum团队在从Honeywell公司剥离后，还能保持初心，追求远大且重要的目标，非常不容易，也很值得中国的科技创新型公司学习。
而张颉颃教授则对Quantinuum公司的成绩表示了充分的肯定，他表示中国的离子阱计算起步较晚，科研基础和工程积累与国外相比仍具有显著差距。Quantinuum的工作为同行做了一个很好的打样，虽然作为竞争者不免感受到压力，但他表示，中国的离子阱计算作为后起之秀，其实发展较快，他对中国离子阱量子计算，尤其是中国科大的离子阱量子计算未来充满了信心。
参考文献
【1】Pino J M, Dreiling J M, Figgatt C, et al. Demonstration of the trapped-ion quantum CCD computer architecture[J]. Nature, 2021, 592(7853): 209-213.
【2】Ryan-Anderson C, Brown N C, Allman M S, et al. Implementing fault-tolerant entangling gates on the five-qubit code and the color code[J]. arXiv preprint arXiv:2208.01863, 2022.
【3】Moses S A, Baldwin C H, Allman M S, et al. A race-track trapped-ion quantum processor[J]. Physical Review X, 2023, 13(4): 041052.
【4】Goto H. Minimizing resource overheads for fault-tolerant preparation of encoded states of the Steane code[J]. Scientific reports, 2016, 6(1): 19578.
【5】Ryan-Anderson C, Bohnet J G, Lee K, et al. Realization of real-time fault-tolerant quantum error correction[J]. Physical Review X, 2021, 11(4): 041058.
【6】R. Acharya, I. Aleiner, R. Allen, et al. Suppressing quantum errorsby scaling a surface code logical qubit, Nature 614, 676(2023), arXiv:2207.06431.
【7】C. K. Andersen, A. Remm, S. Lazar, et al. Repeated quantum error detectionin a surface code, Nature Physics 16, 875–880 (2020),arXiv:1912.09410.
【8】N. Sundaresan, T. J. Yoder, Y. Kim, et al. Demonstrating multi-round subsystemquantum error correction using matching andmaximum likelihood decoders, Nature Communications14, 10.1038/s41467-023-38247-5 (2023), arXiv:2203.07205.
【9】Delaney R D, Sletten L R, Cich M J, et al. Scalable Multispecies Ion Transport in a Grid Based Surface-Electrode Trap[J]. arXiv preprint arXiv:2403.00756, 2024.
作者: 黄梓涵 刘光成
编辑：林梅 白泽
特别致谢：汪野 张颉颃
排版：小乙
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