如何提升離⼦阱規模數量,邁向規模化離⼦阱量⼦電腦之路?

如何提升離⼦阱規模數量,邁向規模化離⼦阱量⼦電腦之路?

⽬前離⼦阱量⼦計算的世界紀錄是:「50顆離⼦以下」,採用的架構雖然精巧卻已經是極限。是否還有其他方式能達成理想中的規模化的離子阱量子電腦呢?本次論壇中邀請瑞⼠蘇黎世理⼯⼤學Jonathan Home 教授分享其實驗室的最新進展。

我們需要⼤型量⼦電腦,因為需要「量⼦糾錯」

Jonathan Home 教授表⽰,我們需要⼤型量⼦電腦,不僅是因為眾所週知「對於古典超級電腦指數成⻑的計算問題,可以被量⼦電腦快速解決」,更主要的原因是因為我們需要「量⼦糾錯」。舉例來說,為了改良哈伯法製氨⽽模擬植物固氮細菌的核⼼催化劑, 過程估計需要上百萬顆量⼦位元,不過其中只需要數千個邏輯量⼦位元計算,絕⼤多數的冗余量⼦位元則是⽤於「量⼦糾錯」。

所謂量⼦糾錯的原理,主要是基於量⼦計算的錯誤和雜訊都是獨⽴發⽣無關聯的前提下,將量⼦資訊已⾮局域的⽅式儲存在系統中,然後不斷地以不破壞這個⾮局域資訊(邏輯量⼦位元)的測量⽅式檢查是否有錯誤發⽣,如果有的話就實施糾錯。

也許傳統方法的離子阱不是唯一解方

Jonathan Home教授提到,目前實驗室的QCCD系統的實驗進展中,⾼品質的量⼦糾纏邏輯閘已經可以被實現(MS gate 保真度⾼於99.3%),同時可以確認這些晶⽚上的整合光學元件誤差都是獨⽴誤差。對於未來的量⼦糾錯,沒有相關聯的誤差⾄關重要。另一方面,相較於free space雷射,波導出來的雷射光間可以維持⾮常穩定的相位資訊。

至於QCCD 路徑未來的挑戰急需要努力的方向為何?Jonathan Home教授說,若離⼦距離矽晶⽚表⾯太近,容易被熱噪⾳⼲擾。為了降低熱導率(heating rate),整個系統必須在低溫情況下運作。其次,由於離⼦在不同區域(zone)移動時需要經過⼗字路⼝(joint)轉彎,因此,⼆維運動需要準確的控制系統,以避免產⽣產⽣熱噪⾳影響量⼦計算。最後,現⾏波導和光閘在藍光和紫外線波段效率都不佳,紅光和紅外線則是技術已經成熟,因此,必須要有更好的⼯程進展來解決光學元件在短波⻑的限制。

最後,Jonathan Home 教授提出一個完全不同的實驗思路,也許離⼦阱不⼀定要使⽤靜電場與動電場(Paul Trap)做量⼦計算,利用靜電場與靜磁場(Penning trap)可能是⼀種另闢蹊徑的巧⾨。

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