商业化加速！Quantinuum技术革新，双管齐下突破量子计算核心难题

光子盒研究院

今天，全球领军的集成量子计算企业Quantinuum宣布，在量子计算的可扩展性方面实现了重大突破。

Quantinuum的科研团队展示了一种创新方法，成功克服了限制量子计算机扩展能力与商业化应用的两大挑战：“布线问题”和“排序问题”。

量子计算机拥有革命性的潜力，足以在从药物发现到材料科学等多个领域带来深远的变革。然而，这一潜力的实现，关键在于是否能够制造出更大、更强大的量子计算机。在实现这一目标的过程中，其中一个主要挑战便是可扩展性——即如何有效地集成并控制日益增多的量子比特。

量子计算机扩展的一个核心问题是所谓的“布线问题”。通常情况下，每个量子比特都需要接收控制信号以执行计算所需的操作。目前所有量子计算机都须向每个量子比特单独发送大量控制信号。如果这一模式保持不变，量子比特数量的增加将导致控制信号数量的同步增长。这不仅不现实且成本高昂，还将迅速变得不可行：无论布线多么精密，都不可能在单个芯片上为如此众多的信号布线。布线问题是所有量子计算公司共同面临的挑战，每种架构都需寻求自己的解决方案。

另一个关于扩展的关键问题是“排序问题”。从本质上讲，科学家们希望能够移动量子比特，使它们能够彼此“交流”。尽管这并非绝对必要（例如，超导架构就无法实现这一点），但这种能力确实能使设计更加灵活和稳健。正是这种移动量子比特的能力，让Quantinuum实现了“全对全连接”，并因此获得了众多优势：例如，能够使用超高效的高密度纠错码、实现低误差的横向门、模拟物理和化学中的复杂问题等等。

Quantinuum的最新研究成果在解决量子计算机扩展性问题上取得了显著进步。他们运用了一种创新的方法，大幅降低了控制量子比特所需信号的数量，并且这个数量不会随着量子比特数量的增加而急剧增长。

在具体技术实施上，Quantinuum的方案采用了与量子比特数量无关的固定数量的模拟信号，并配合每个量子比特的单个数字输入，实现了运动控制所需的最小信号量。这一成就是通过一个创新的二维网格陷阱芯片完成的，其设计巧妙地平衡了制造统一陷阱所需的对称性和提供“方向性”（例如，区分左和右）的需求。

这种网格布局与传统的线性或环形排列相比，在有效排序上具有显著优势，从而同时解决了布线和排序的问题。

Quantinuum推出颠覆性的量子计算2D网格，简化量子比特控制

论文链接：

https://arxiv.org/abs/2403.00756

详细说明了射频导轨（红色）、通用控制电极（黄色）、特殊的从中心到左或右电极（C2LR，紫色显示）、垫片电极（绿色）和地平面（灰色）

从中心到左或右（C2LR）基元的说明和验证

重新排序与否的描述和性能

Quantinuum的这一创新不仅是量子计算领域的一大步，而且可能会改变量子计算系统的可扩展性和效率。团队运用这种新方法，成功演示了量子比特的传输和分选，实现了高达2.5kHz的交换率和极低的发热量。这种低发热量展现了控制系统的高效性，而高交换率则突显了二维网格布局的重要性：在网格上重组量子比特远比在传统线性或环形排列中更为迅速。

更重要的是，这个演示在三个完全独立的系统上都取得了成功，这证明了其不仅是一次性的成就，而是一个可重复的、具有商业应用潜力的技术。

首席研发工程师兼科学家柯蒂斯·沃林（Curtis Volin）对此成果感到自豪：“我们是首家在可扩展架构内实现合理数量信号输入的量子陷阱设计公司。”

“布线问题”长久以来被视为量子计算实现商业化的关键障碍。Quantinuum凭借其独创的专利方法，不仅巧妙解决了这一问题，更在基于网格的陷阱中成功捕获并控制了大量量子比特，这一壮举标志着利用量子电荷耦合器件（QCCD）技术构建更大、更复杂量子计算架构的可行性。

该设计减少了对模拟连接的依赖，转而利用数字连接，结合可在超低温下运行的CMOS数字芯片，这进一步显现了其前沿的创新特点。

Quantinuum在其官网上强调，此项技术突破对量子计算未来具有深远影响：

- 展现量子电荷耦合器件 (QCCD) 架构的扩展潜力：这一成就直接消除了对Quantinuum俘获离子量子计算架构可扩展性的疑虑，展现了其未来发展的巨大潜能。

- 成功解决“布线问题”和“排序问题”：此解决方案克服了妨碍大规模量子计算机发展的两大关键难题。

- 在不同系统上获得卓越成果：在三个不同系统上成功的演示，不仅显示了方法的可重复性，也证明了其商业应用的可行性。

- 简化量子与经典系统的接口：通过极大地降低控制复杂性，这一方法简化了量子与传统系统间的连接，加快了混合量子算法的发展，并促进了对实际应用的快速访问。

Quantinuum首席商务官Nash Palaniswamy对此进展给予高度评价，称其“不仅是Quantinuum的重大成就，也是整个量子行业的重要里程碑”。

Palaniswamy补充道：“这项技术推动了我们进入一个广阔的量子商业化新时代。我们团队的开创性工作为构建更大、更强大的量子计算机铺平了道路，使企业能够利用这项技术的变革力量，在各个行业推出实际的解决方案。”

参考链接：

[1]https://thequantuminsider.com/2024/03/05/quantinuum-demonstrates-their-quantum-computers-will-scale-with-major-hardware-innovation/

[2]https://bnnbreaking.com/tech/quantum-computings-industrial-evolution-from-academia-to-production-scalability

[3]https://www.quantinuum.com/news/quantinuum-researchers-make-a-huge-leap-forward-demonstrating-the-scalability-of-the-qccd-architecture-solving-the-wiring-problem

[4]https://www.quantinuum.com/news/quantinuum-proves-their-quantum-computers-will-scale-with-major-hardware-innovation

[5]https://www.eenewseurope.com/en/tackling-qubit-connectivity-in-quantum-computers/