量子计算革命：1000量子比特，仅需200条线

昨日，量子计算公司Oxford Ionics、牛津大学与俄勒冈大学的研究人员合作，提出了一种称为 WISE（使用集成开关电子设备的布线）的控制架构，通过仅200条控制线，连接1000个离子阱量子比特。

该研究为大规模离子阱量子计算机开辟了道路。

相关研究以“How to Wire a 1000-Qubit Trapped-Ion Quantum Computer”为题发表于《PRX Quantum》[1]。

01. 量子计算的核心难题

在量子计算领域，如何有效地扩展量子计算机的规模、增强其性能和潜力，成为了研究者们亟待解决的核心难题。

当前，小型量子计算机（几乎）可以将量子比特连接到一条或多条单独的控制线。但随着量子比特数量的增长，维持其运行速度所需的芯片线路、电缆和电气连接的复杂性也随之上升，这使得整体布线变得极为复杂。

业界普遍看好的解决方案是将控制组件直接集成到芯片内部。

但这一方案仍面临挑战：如何在不牺牲芯片空间、不增加功耗、不需额外的设备控制带宽，同时又不影响随规模增长的质量控制效率的前提下，利用现有制造技术构建这些集成芯片？

02. 革命性架构：200条VS 10000条

昨日，英国量子公司Oxford Ionics、牛津大学与俄勒冈大学的研究人员联手，针对量子计算中的布线问题，提出了一种革命性的量子比特控制架构。

研究团队采用了被称为WISE（使用集成开关电子设备的布线）的技术，专门针对离子阱量子比特进行优化。

该方法使 1000 量子比特设备能够使用当今可用的芯片和基础设施在 200 条控制线上运行。

相对于之前提出的方法，一个 1000量子比特芯片将需要大约 10000条控制线。

令人震惊的是，这一技术实现的量子比特数量远超过了现有商业化的离子阱量子计算机所能实现的几十个量子比特。

在WISE方法中研究团队巧妙地减少了信号发生器的数量，并将其与芯片分离。这意味着，不再是每个量子比特都拥有其专属的控制机制，而是一个信号发生器的信号可以通过有限的本地开关分发到多个量子比特。

图｜WISE 架构的高级图解。研究通过将离子阱与开关-解复用网络相结合来形成量子处理单元（QPU）。这样，所有高密度输入/输出 (I/O) 都被限制在 QPU 内，并且 QPU 与外界之间的接口所需的连接数量显著减少。研究将离子阱电极分为动态电极（绿色，每个量子比特大约十个动态电极）和准静态电极，即“垫片”（蓝色，每个量子比特大约十个垫片电极）。由于集成的开关网络，动态电极由大约 100 个 DAC 控制，无论系统规模如何。由于集成的解复用网络，垫片 DAC 的数量从标准方法中每个电极 1 个 DAC 减少到我们方法中每约 100 个电极 1 个 DAC。仅在控制器和DAC之间需要高速数字接口，而QPU和控制器之间的数字通信仅需要小信号带宽并且可以串行完成。

图｜每个结 k = 6 个量子比特的实际二维离子阱的排序算法。(A) 首先，将线性段中的两个量子比特链并行分割，以便将每个量子比特放置在不同的区域中。(B) 并行行奇偶排序的使用与常规数组完全相同，重新排列量子比特，使得同一列中的量子比特具有唯一的目标行。这最多需要 m 个时间步。(C) 并行列奇偶排序按顺序应用于每个第 k 个量子比特。这需要 k × n 时间步长[56]。(D) 并行行奇偶排序的使用与常规数组完全相同。(E) 最后，量子比特被重新合并成两个平行的线性区域之间的量子比特链。

图｜(a)垫片解复用的基本架构。每个匀场 DAC（蓝色）通过模拟解复用器连接到 M 个可能的匀场电极（蓝色）之一。输入时钟控制芯片上的所有解复用器，选择它们是打开还是关闭。每个匀场电极通过集成电容器接地。(b) 模拟解复用器实现的细节。L 位寄存器（整个芯片一个）每个时钟周期将 x 前进 1。x 的值通过数字解复用器发送并控制传输门开关，选择将 M = 2 L − 1 电极中的哪一个连接到 DAC。当 x = 0 时，所有电极均断开，并且量子比特重新配置和/或量子门可以继续进行。

图｜1000 量子比特芯片可能的电气接线图。QPU（右）将离子阱集成电路与集成电容器和开关结合在一起，需要 8 mm × 22 mm 的占地面积（不包括互连）。QPU 使用大约 200 个电气输入进行控制，这些电气输入通过焊线从大约 200 个片外源传送。

03. 将实现大规模设备

本研究的第一作者，Oxford Ionics 的 Maciej Malinowski 指出，采纳这种控制策略的离子阱量子计算机可以利用现有的半导体制造工艺进行生产。

也就是说，使用当今可用的芯片和基础设施，我们可以将离子阱量子计算机的规模从当今的10-30 量子比特增加到 N∼1000 量子比特，而不会在电子布线中遇到根本障碍，这无疑为实现大规模离子阱量子计算机开辟了道路。

引用：

[1]https://journals.aps.org/prxquantum/abstract/10.1103/PRXQuantum.4.040313

[2]https://physics.aps.org/articles/v16/s153

[3]https://journals.aps.org/prxquantum/abstract/10.1103/PRXQuantum.4.040313

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