大廠放棄的離子阱，成就了初創(chuàng)量子計(jì)算公司

實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的路線有很多種，目前主流的主要是超導(dǎo)量子計(jì)算和離子阱量子計(jì)算，因?yàn)橐陨蟽烧咴谙到y(tǒng)指標(biāo)上最好、技術(shù)成熟度也最高，至少在短期內(nèi)有希望投入商業(yè)使用中。除了這兩種之外還有中性原子、半導(dǎo)體和光電等方案。而離子阱技術(shù)相對(duì)“人造原子”的超導(dǎo)量子比特來(lái)說(shuō)，相干時(shí)間最長(zhǎng)，而且在邏輯門(mén)運(yùn)算的保真度上可以做到很高，這對(duì)于目前追求計(jì)算準(zhǔn)確性的量子計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。

離子阱技術(shù)的原理就是利用電磁場(chǎng)將離子限制在自由空間中，量子比特就存儲(chǔ)在每個(gè)離子的穩(wěn)定電子狀態(tài)中，并通過(guò)離子間的集體量子化運(yùn)動(dòng)來(lái)共享量子信息。從量子處理單元的開(kāi)發(fā)商來(lái)看，比較大的幾家都選擇了超導(dǎo)的方案，連亞馬遜、谷歌與阿里巴巴也都義無(wú)反顧地選擇開(kāi)發(fā)超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)。而反觀離子阱這邊，混得最好的也只有上市的IonQ，此次我們從幾家選擇了離子阱方案的廠商出發(fā)，來(lái)一窺這條路線是否真的值得探索。

Quantinuum

2021年，劍橋量子公司與霍尼韋爾的量子解決方案部門(mén)合并，成立了全新的獨(dú)立公司Quantinuum開(kāi)發(fā)離子阱量子計(jì)算機(jī)。雖然是獨(dú)立的公司，霍尼韋爾依然是最大的股東，占了50%以上的股份，并由霍尼韋爾自己的晶圓廠來(lái)制造離子阱。此前霍尼韋爾自己于2020年推出的10量子比特量子計(jì)算機(jī)H1-1，也歸Quantinuum所有。合并的同年，Quantinuum發(fā)布了配置一樣的第二代H1量子計(jì)算機(jī)H1-2，并對(duì)該系列量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行了升級(jí)，可使用12個(gè)量子位的操作。

近日，Quantinuum對(duì)H1-1再度進(jìn)行了升級(jí)，完全互聯(lián)的量子位從12個(gè)提升至20個(gè)，可照做的門(mén)區(qū)也從3個(gè)提升至5個(gè)，使得H1-1能夠同時(shí)完成更多的量子操作，并進(jìn)一步提高了電路執(zhí)行中的并行化。Quantinuum表示，今年年末，他們也將對(duì)H1-2進(jìn)行同樣的升級(jí)。
對(duì)于遠(yuǎn)程進(jìn)行量子計(jì)算開(kāi)發(fā)的用戶，Quantinuum也方便地給到了云方案，用戶可以通過(guò)微軟的Azure，建立量子工作區(qū)來(lái)訂閱Quantinuum的H1-1系統(tǒng)的使用。不過(guò)這個(gè)開(kāi)發(fā)價(jià)格確實(shí)不是普通個(gè)人用戶能夠承擔(dān)的，因?yàn)榧幢闶腔A(chǔ)訂閱，用戶也要繳納12.5萬(wàn)美元每月/的費(fèi)用，高級(jí)訂閱每月要花17.5萬(wàn)美元，還只能排隊(duì)和按額度使用?？煽紤]到現(xiàn)有的量子計(jì)算機(jī)數(shù)量極其有限，有如此高的定價(jià)也很正常。

在Quantinuum的開(kāi)發(fā)路線圖中，他們計(jì)劃將H系列的量子位每5年增加一個(gè)數(shù)量級(jí)，離子阱的架構(gòu)也將從H1的線性架構(gòu)，慢慢演化為H2的跑道架構(gòu)再到H3的網(wǎng)狀架構(gòu)，并在H4中集成光電器件，最后在H5上實(shí)現(xiàn)大規(guī)模離子阱量子計(jì)算系統(tǒng)。

可以看出，至少在增加量子比特位數(shù)上，Quantinuum已經(jīng)有了很清晰的路線，不過(guò)H1定下的目標(biāo)是做到40量子比特，在實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)前，我們還不好判斷離子阱在擴(kuò)展上是否瓶頸已經(jīng)開(kāi)始顯現(xiàn)。

Oxford Ionics

另一個(gè)選擇了離子阱方案的公司是由牛津大學(xué)2019年孵化出的Oxford Ionics（牛津離子）公司，他們的愿景是將量子計(jì)算從實(shí)驗(yàn)室研究階段進(jìn)化到實(shí)際的產(chǎn)業(yè)解決方案。不過(guò)迄今為止，除了已經(jīng)融資近千萬(wàn)美元外，這家量子計(jì)算公司并沒(méi)有任何實(shí)質(zhì)的產(chǎn)品公布。

而近日半導(dǎo)體廠商英飛凌發(fā)布了一則新聞，稱其將與Oxford Ionics合作，一同開(kāi)發(fā)高性能的離子阱量子處理器。這對(duì)于Oxford Ionics可以說(shuō)有了生產(chǎn)制造上的支持，畢竟考慮到上面的Quantinuum，打造離子阱處理器也只是用到了霍尼韋爾150nm的工藝，而反觀英飛凌在工藝上的先進(jìn)程度要更高一些，其量子處理器的生產(chǎn)制造也主要在奧地利的晶圓廠，可以處理6英寸/12英寸的晶圓。

更重要的是，英飛凌已經(jīng)有了現(xiàn)成的離子阱擴(kuò)展技術(shù)方案，比如低溫電子元件。上文簡(jiǎn)要說(shuō)明離子阱原理時(shí)，我們提到了是利用電磁場(chǎng)來(lái)固定離子的，而在進(jìn)一步增加量子比特?cái)?shù)時(shí)，需要用到更多的電極來(lái)捕捉和移動(dòng)離子，所以生成電壓的位置要盡可能地接近離子阱，同時(shí)要能精確控制電極，這就需要集成DAC等器件來(lái)完成控制，但它們與這些離子一樣，得處于10K左右的極低溫下才能控制噪聲，而如何保證這些元件的正常工作才是提高量子比特?cái)?shù)的瓶頸所在。

根據(jù)Oxford Ionics公開(kāi)的一些信息來(lái)看，他們實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的思路是利用12英寸的晶圓制造數(shù)百萬(wàn)個(gè)5mmx5mm的量子位芯片，再打造成一個(gè)高集成度的量子處理單元。第一批設(shè)備預(yù)計(jì)將于今年推出云開(kāi)發(fā)，但真正的高性能設(shè)備以及計(jì)算集群則計(jì)劃2年之后推出。

結(jié)語(yǔ)

從量子計(jì)算的賽道來(lái)看，無(wú)論哪種方案都代表了這家公司的技術(shù)儲(chǔ)備和業(yè)務(wù)方向所在，比如像亞馬遜、谷歌和阿里巴巴就選擇了超導(dǎo)，利用參數(shù)靈活度更高的超導(dǎo)量子比特來(lái)完成量子計(jì)算。而Oxford Ionics等初創(chuàng)公司則選擇了物理布線工藝難度更小、量子比特制備更容易的離子阱，這樣更容易快速開(kāi)展業(yè)務(wù)。

現(xiàn)在敲定哪種技術(shù)能夠成為最后贏家還言之尚早，就連上文提到的英飛凌，其實(shí)也在其他量子計(jì)算路線上有所布局。況且就連與量子計(jì)算相關(guān)的光電器件、量子算法和IDE都在摸索階段，無(wú)論哪種方案都在朝著更多量子比特?cái)?shù)的方向發(fā)展，當(dāng)量子計(jì)算機(jī)紛紛量產(chǎn)普及并逼近千比特，屆時(shí)再來(lái)華山論劍也不遲。