科学家们正在探索构建未来大规模量子计算机的各种平台。在主要的竞争者中，基于捕获离子的量子比特平台因其能以低误差率运行的特性而脱颖而出。然而，要将这些平台扩展到公用事业规模级量子计算所需的数百万量子比特，却是一项艰巨的任务。现在，科罗拉多州Quantinuum公司的Steven Moses及其同事描述了一种令人印象深刻的新型离子阱量子计算机“System Model H2”，他们已能够在不增加错误率的情况下增加量子比特的数量(从20个增加到32个)。研究人员已经通过完整的组件级别测试、一套行业标准基准测试和一套多样化的应用对该系统进行了全面测试。

在典型的捕获离子量子计算机中，线性的离子链被来自直流(DC)和射频(RF)场的电势所限制。尽管离子阱设备可以在任何温度下工作，但离子本身需要用激光冷却至接近其基态。然后它们的运动可以被量子化，并且产生的运动模式可用于纠缠离子链中的任何一对离子——这是执行量子操作所必须的。然而，控制长链中的单个离子也有其自身的技术难度，而且不太可能在单个电势中捕获一百万个量子比特，而这些数量的量子比特正是制造通用容错量子计算机所需要的。

2002年，一组科学家提出了所谓的量子电荷耦合器(QCCD)架构，其中的短线性离子链是通过在存储区域和相互作用区域之间进行物理穿梭的离子来连接的。基于这种架构的量子计算机包含有许多离子阱，而每个离子阱都有一组分段电极。通过改变这些电极上的电压，单个(或一组)离子可以在系统中穿梭，并与其他区域的离子相互作用。通过这种设计，计算机可以被分割成许多短的线性离子链，而动态离子重排则可以实现任意连接。

自提出QCCD架构以来，人们一直在为实现大规模QCCD离子阱量子计算机的梦想而努力。Quantinuum公司的科学家以前曾报告过使用一维几何结构的研究成果。然而，要将控制离子所需的所有电气、光学和计算构件组合在一起并非易事。此外，为了实现真正的可扩展性，所有这些都必须确保量子比特的平均错误率不会随着量子比特数量的增加而增加。

Moses和其同事报告了一种新型的QCCD离子阱量子计算机，其中的离子在跑道状的结构中移动。该系统集成并改进了Quantinuum和其他研究小组先前演示的各种功能，并结合了三个关键特征：首先，射频电极位于设备顶面下方，这提高了电极对几何形状的适应性。其次，将一组直流电压并联施加到多个电极上，这减少了需要送入装置所在真空室的单个控制电压的数量——这是在增加阱复杂性时的一个重要考虑因素。第三，离子是从磁光阱中的冷中性原子云中加载到设备中的(而不是像通常那样从热蒸汽中加载)，这实现了更快的离子加载，从而减少了初始化实验所需的时间。

这些硬件改进得到了经典计算基础设施的支持，使Moses及其同事能够对系统进行全自动校准，并能跟踪特征(characterized)量子比特相位。研究人员还实施了 "中间计算"测量和实时反馈技术，这是未来容错演示的重要组成部分。尽管该团队和其他团队以前曾单独展示过这些功能，但他们通过整合这些功能形成了一个强大的设备，并可以在最先进的水平上运行。

使这一设备成为可能的工程工作无疑是一项伟大的成就。然而，Moses和同事们的研究之所以与众不同，是因为他们进行了全面的特征描述。他们首先描述了量子算法的每个可能组成部分：单量子比特操作、双量子比特操作、状态准备和测量以及离子传输。有了这些信息，研究人员就能对所有误差源进行全面分类，他们发现其系统的可靠性受限于与双量子比特操作以及状态准备和测量相关的误差。

不过研究人员并没有就此止步：他们还进行了系统级的基准测试。虽然单个操作表征可以初步推测出机器的性能，但由于串扰等原因，整个系统的运行情况可能会更糟。令人印象深刻的是，该团队从组件级测试中推断出的误差率与系统级基准测试的误差率非常匹配。其中一个基准是量子体积，这是一种表征量子系统计算能力的行业标准。研究人员实现了2¹⁶(即65536)的量子体积。这一数值在首次报道时创下了所有机器的记录，但最近Quantinuum的科学家在不同的设备上打破了这个记录。最后，Moses和同事们通过实施一系列算法对他们的系统进行了测试，每种算法都验证了该设备的一项单独功能。

尽管Moses及其同事的工作推动了离子阱量子计算的发展，并为未来的努力开创了一个强大的先例，但在我们拥有这些设备的公用规模版本之前，研究者们仍有许多工作要做。首先，正如研究人员所指出的那样，构建真正的二维架构面临着新的挑战，例如通过连接点实现低误差的离子传输，以及扩大必要的电气控制信号的规模。

其次，Moses及其同事还指出，离子阱量子计算机只有1%-2%的计算时间用于量子运算，其余时间则用于离子穿梭和冷却。对于未来的量子计算机来说，这一比例是不够的，人们必须做出巨大努力来对其加以改进。一个可行的办法是增加每条链上的离子数量。虽然这会增加技术开销，但可以减少需要的穿梭操作次数。我们将拭目以待，看看该团队和其他团队在未来的工作中如何实现这种平衡。(编译:Tmac)