揭秘量子计算机核心部件--离子阱

量子计算机前段时间着实在朋友圈火了一把，这主要得益于中国科学技术大学陆朝阳教授和潘建伟教授领导的科学团队研发出10个比特的超导量子计算机的重要成果。经过各大新闻的争相播报，它现在不仅是“人尽皆知”，更让我国在量子领域步入国际领先行列。那么，量子计算机究竟是什么样的呢?　　

　　简单来说量子计算机是一个计算速度非常快的计算机，如果将现代的计算机比做自行车，那量子计算机就是飞机。但是对于它的长相，我们现在无法想象，就好比处在晶体管和电子管时代的人不能想象出超大规模集成电路的计算机长什么样。谁曾想过智能手机芯片已经“完爆”了占地上千平方米的初期计算机呢!

　　话不多说，今天就带你看看现在的量子计算机长啥样。目前初级阶段的量子计算机还真说不上高颜值，跟早期计算机一样，它的“身躯”遍布在实验室的各处。但是谈到关键部分，也就是量子计算机的“心脏”，那可就是“高大上”了。与现在计算机的CPU不同，量子计算机的核心部分是参与运算的量子比特，通常来说是相干光子或离子。产生这些相干光子或离子的方法通常有超导环和离子阱两种方法。其中超导环在多量子比特拓展方面还有一些困难，从而离子阱成为目前较为优势的手段。而无论是超导环还是离子阱，这些器件的稳定运行都需要极端苛刻的外界条件，那就是超高真空和极低温，也就是说他们要冻在抽真空的“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).

　　上图中的器件就是典型的芯片式离子阱，用于产生量子比特的原子就在该芯片的中心位置被激发并被电磁场和库伦相互作用所束缚。而下图是为芯片提供超高真空和超低温环境的Montana超精细光学恒温器。该恒温器具有超低温(3K)、超高真空的特点，并且提供多路自由光学通道和光线通道以及最多可达100根电学引线，是量子计算机的“心脏”所在。(做为离子阱的标准装置，图片来源于Christopher Monroe发表在《Nature》旗下《量子信息》杂志上的综述文章)。说完“心脏”的外观，那这个心脏的能力如何呢?采用传统离子阱式的量子计算机方案能做到多少比特呢?预计是50个!不要小看这个数字哦，如果能够完全利用它们的相干性，那就是250个数据量，并且信息处理速度可以达到GHz。经过改进的新型离子阱预计可以达到1000个量子比特甚至更多，计算能力和信息量也会大大增加，这会给以后的计算机带来天翻地覆的变化。　　

　　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.

　　最后再次祝贺Quantum Design的用户陆朝阳教授和潘建伟教授在量子计算机领域取得的惊人成就，希望祖国科研再上新台阶。

　　相关参考文献：Co-designing a scalable quantum computer with trapped atomic ions. npj Quantum Information (2016) 2, 16034