玻璃芯片成为新量子体系结构的关键

发布时间：2021-09-13 18:54:28来源：IEEE电气电子工程师

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IonQ'snewglasschipcanhold64ionsinfourgroupsforatotalof32usablequbits.WALKERSTEERE/IONQ

总部位于马里兰州的IonQ公司在寻求扩大其量子计算机技术规模的过程中，推出了一种新型芯片。它的计算机利用被电磁捕获在芯片附近空间的离子的量子态进行计算。以前是使用硅芯片制程制造的，但该公司现在已经转向蒸发玻璃阱技术（evaporatedglasstraptechnology）——一种在通常用于制造微流控芯片的熔融石英玻璃中构建微米级特征的方法。该公司表示，其先前的离子阱技术不可能支持IonQ的新量子体系结构，该体系结构基于多个基于离子的量子比特链。IonQ的高管们表示，最终，玻璃芯片的可重构离子链将允许计算机使用三位数的量子比特。

“离子阱的目的是精确地移动离子，将它们固定在环境中，并避开量子操作，”IonQ蒸发玻璃阱团队负责人JasonAmini解释道。Amini表示，其团队建造的3D玻璃和金属结构在这三个方面都比以前的芯片做得更好。“硅基芯片上电荷产生的杂散电场会破坏离子的精细量子态，降低量子计算的保真度。但蒸发玻璃的设计“隐藏了任何可能带电的材料，”他说，“效果是一个更稳定的阱，进而计算效果更好。”

Amini说，另一个优点是，阱的形状可以塑造来“避开”量子操作。在离子阱计算机中，离子的量子态是通过激光照射来操纵的。“我们必须把大量的激光束带到地表，”Amini表示，“使得玻璃芯片的形状允许激光穿透并寻找设备。”

IonQ之前在新墨西哥州的桑迪亚国家实验室建造了硅离子阱。但IonQ首席执行官PeterChapman表示，IonQ希望对该技术有更多的控制，并加快迭代设计。拿着蒸发玻璃离子阱，IonQ继续演示他们的新量子计算方案，Chapman称之为业界第一个“可重构多核量子体系结构”（reconfigurablemulticorequantumarchitecture，RMQA）。

在IonQ的演示中，它的工作原理是这样的：陷阱在一条直线上容纳四条由16个离子组成的独立链。每一条链都可以移动到被激光操纵的位置，改变它们的量子态或缠绕离子群，从而将它们的量子态连接起来。“每条链本身就是一台量子计算机，”Chapman说。此外，两条链可以结合在一起形成一个核心，允许在链（重新配置部分）之间缠绕量子位，直到最终所有量子位都可以连接起来执行大型、复杂的量子操作。

当然，这并不完美。Chapman解释说，在16个离子中，这项技术产生12个量子位。（另外四个是“制冷剂”离子，用于纠正离子传输过程中的缺陷。）因此，IonQ的最新演示产生了48个量子位。但它很容易通过延长阱来扩展。而且，因为这是量子计算，一点小小的扩展就大有帮助了，每增加一个量子位就增加了更多的功能。

Chapman说：“这种体系结构可以相对容易地在一块芯片上扩展到数百个量子位。”下一个重大飞跃将来自IonQ正在开发的光子互连，将一个芯片上的量子比特连接到另一个芯片上的量子比特。“一旦发生纠缠，距离就不再重要了，”Chapman说，“无论是芯片上的多条链，还是一个芯片到另一个芯片上的多条链，都像是一台大型量子计算机。”

这篇文章于8月25日更新，以更正一个数学错误。

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