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量子计算，一个充满未来感的词汇，正悄然改变着我们对计算能力的认知。它不再是科幻小说中的概念，而是实实在在走进实验室，并一步步走向实用化的前沿科技。在众多量子计算路径中，基于离子或原子的量子计算机，以其独特的优势，长期以来备受关注。

这种量子计算机有着一个天然的优点：其核心硬件——离子或原子，并非人工制造，因此不存在器件间的差异性。这意味着每一个原子都具备相同的性质，每次操作理论上都能表现出相似的性能，这为量子计算带来了极高的稳定性和精度。更令人兴奋的是，这些作为量子比特的离子可以灵活移动，理论上系统内的任何两个离子都能实现相互纠缠，这在算法设计和错误纠正方面提供了巨大的灵活性。正是这种稳定、高保真的性能与全连接的优势组合，使得捕获离子技术成为许多量子计算关键演示的首选平台。

然而，捕获离子量子计算技术在发展中也遇到了一些瓶颈，其中之一就是量子比特数量相对较低。在过去，当其他技术路线的量子比特数量已经达到上百个时，捕获离子系统通常只有几十个。但就在近期，一家名为Quantinuum的公司宣布推出其捕获离子硬件的新版本，这一突破性进展不仅大幅提升了量子比特数量，更采用了创新的技术来管理其运行，无疑为整个行业注入了新的活力。

捕获离子计算：稳定与灵活的融合

无论是中性原子还是捕获离子计算机，它们都将量子比特存储在原子核的自旋中。原子核的自旋被周围的电子云屏蔽，这使得这些量子比特与外界环境的相互作用减少，从而拥有相对较长的相干时间。相干时间越长，量子比特保持其量子态的时间就越久，这对于复杂的量子计算任务至关重要。

中性原子通常通过激光网络来精确固定其位置，而捕获离子则利用电磁场进行操控。这是因为离子带有电荷，可以通过精密的电极阵列来移动和定位。这意味着捕获离子硬件的关键部件可以采用标准的电子制造工艺进行生产，尽管在量子比特的操纵和读取过程中，仍然需要激光的辅助。

虽然用于控制离子的电子元件是静态的，一旦制造完成便固定不变，但它们却能够被用来移动离子。只要离子可以移动的“轨道”设计得当，系统内的任何两个离子都能被带到近距离进行纠缠操作。这种“全连接”的特性，让量子算法的实现更加高效，也为采用复杂连接几何的错误纠正编码提供了可能。

例如，外媒曾报道，微软公司就曾选择Quantinuum的设备，成功演示了基于超立方体的错误纠正编码。这充分证明了捕获离子在处理复杂量子纠错任务方面的潜力。

不过，要设计出能让任何两个量子比特都能相邻的轨道系统，其复杂程度会随着量子比特数量的增加而迅速提高。更何况，离子的移动速度相对较慢，如果频繁地需要将芯片两端的离子调动到一起进行操作，就可能耗费大量时间，甚至逼近量子比特的相干时间极限，从而影响计算的准确性。

Helios：量子芯片的新篇章

为了克服这些挑战，Quantinuum公司有着长远的规划，他们设想未来将构建一个类似城市街道布局的方形网格芯片。但要实现这一目标，首先必须精通如何控制离子在四向交叉路口处的流动。而这，正是Quantinuum在新一代芯片Helios上部分实现的功能。

新媒网跨境获悉，Helios芯片的核心设计中，就包含了一个关键的交叉路口，它连接了两个离子存储区域。通过这个巧妙的设计，离子可以在芯片的两端之间来回“摆动”并进行操作。更重要的是，Helios在保持甚至提升性能的前提下，将量子比特数量从之前的56个大幅提升到了96个。

Quantinuum公司的副总裁珍妮·斯特拉布利（Jenni Strabley）在外媒采访中表示：“我们不仅保持了，甚至还提高了双量子比特门的保真度。这意味着在向更大规模发展时，双量子比特门的保真度并未出现任何下降。”这无疑是技术上的一大胜利，表明他们在扩展量子比特数量的同时，成功维持了高质量的量子操作。

“循环”运作，效率为先

让我们通过一张图片，更直观地了解Helios系统的内部运作机制。

这张图展示了Helios系统的物理布局，其中实际的离子轨迹勾勒出核心结构，包括一个存储环和两条包含专用操作区域的“腿”。

从图中我们可以清晰地看到，Helios的布局主要由两部分组成：左侧的一个环形区域，以及向右延伸的两条“腿”。这两部分通过一个独特的四向交叉路口连接。Quantinuum的工程师们将这个交叉路口视为整个计算机运行的核心。

系统的工作原理是让离子在环形区域内循环旋转。当一个离子到达交叉路口时，系统会根据需要决定是否将其“踢”入其中一条“腿”，以及进入哪条“腿”。Quantinuum计算设计与理论总监大卫·海斯（David Hayes）形象地描述道：“我们让这个环几乎像硬盘一样旋转，每当需要进行门操作的离子接近交叉点时，就会做出一个决定：要么离子进入‘腿’部区域，要么它稍微转个弯，回到环中。而这个决定，只需要几个位于交叉点处的电极就能完成。”

每条“腿”都设有一个专门的操作区域，这意味着Helios系统能够确保正确的量子比特在恰当的时间，一起进入操作区，从而进行诸如双量子比特门等关键操作。一旦操作完成，这些量子比特可以被移入“腿”部的存储区域，然后新的量子比特可以被调入进行下一轮操作。当“腿”部区域被占满后，量子比特可以被送回环路，整个过程重新开始。

海斯在外媒采访中指出：“如果所有‘交通’都朝着一个方向通过门区，交通堵塞就会大大减少。如果必须让它们相互‘超车’，就需要进行物理上的交换操作，这是我们希望避免的。”这种设计思路，正是对传统计算机架构中并行处理和数据流优化的巧妙借鉴。

智能操控与量子编程新体验

要精确地发出所有指令来控制如此复杂的硬件，绝非易事，特别是对于简单的操作之外的任何任务。这就对编译器提出了更高的要求，它需要在用户希望量子计算机执行的任务与实际硬件所需的指令之间，构建一个重要的抽象层。为此，Quantinuum公司自主开发了一套编译器，能够将用户编写的代码转化为控制系统可以理解的指令序列。

值得一提的是，当前的控制系统已经融入了一个实时引擎。这个引擎能够实时读取Helios芯片反馈的数据，并根据量子比特的当前状态，动态更新其发出的指令。Quantinuum将这部分系统部署在图形处理器（GPU）上，而非依赖定制硬件，这不仅降低了成本，也提升了系统的灵活性和可扩展性。

为了方便用户，Quantinuum的软件开发工具包（SDK）被称为Guppy，它基于流行的Python语言开发，并经过修改以允许用户描述他们希望系统执行的操作。随着Helios的发布，Guppy也迎来了新版本，其中包含了传统编程中常见的工具，如FOR循环和基于IF的条件语句。这些功能对于未来实现错误纠正的量子比特至关重要，例如，它们可以用于检测错误、在发现错误时进行修复，或者重复尝试初始化直到成功且没有错误。

海斯透露，新版本Guppy还在朝着更高级的错误纠正方向迈进。得益于Guppy动态重新分配量子比特的能力，Helios将能够作为一台拥有94个量子比特的机器运行，并同时检测任何一个量子比特上的错误。或者，这96个硬件量子比特也可以被配置为一个整体，承载48个经过错误纠正的逻辑量子比特。

海斯解释说：“这实际上是一种级联编码（concatenated code）。你将两个错误检测码编织在一起……它是一个单一的代码块，但其中包含了48个逻辑量子比特。”他进一步说明，这是一种距离为四的编码，意味着它能够纠正同时发生的最多两个错误，这对于提高量子计算的可靠性意义重大。

量子模拟：揭秘超导之谜

尽管Quantinuum的硬件在错误率方面一直优于大多数竞争对手，但在56个量子比特的限制下，所能进行的研究深度有限。而如今，随着Helios将量子比特数量提升至96个，该公司的研究人员决定利用这一优势，构建一个量子实现模型（称为费米-哈伯德模型），旨在帮助研究超导转变过程中电子配对的现象。

超导现象是指某些材料在特定低温下电阻突然降为零的物理现象，它在能源、交通、医疗等领域拥有巨大的应用潜力。电子在超导态下能够克服它们通常的排斥力，结合形成所谓的库珀对（Cooper pairs），这是超导的关键机制。而费米-哈伯德模型正是描述这种复杂相互作用的理论工具之一。

Quantinuum的亨里克·德雷尔（Henrik Dreyer）承认，该模型确实存在一些简化。“模型中肯定有些项没有被捕捉到，”他指出，“比如它们仍然具有的电荷排斥力——我的意思是，它们仍然带负电，仍然相互排斥。模型中确实有些项没有被捕捉到。但另一方面，我要说的是，这个费米-哈伯德模型，它具备超导体许多显著的特征。”

即使在简化的形式下，费米-哈伯德模型仍然是一个量子系统的模型，随之而来的是经典的计算复杂性难题。因此，Quantinuum团队模拟了一些经典计算机难以处理的系统。其中之一是观察比大多数经典模拟更大的原子网格；另一个则是在额外的维度上扩展网格，模拟材料的层状结构。或许最复杂的模拟涉及的是当一束适当波长的激光脉冲击中室温超导体时会发生什么，这种事件可以在短时间内诱导超导状态。

令人鼓舞的是，即使在没有进行错误纠正的情况下，Helios系统也成功地产生了结果。德雷尔表示：“这也许是一个技术细节，但我认为这是一个非常重要的技术点，那就是我们运行的电路都存在错误。平均而言大约有三个左右的错误，但出于某种原因，对于这种应用来说，它并不重要，在某些情况下，你仍然能得到几乎完美的结果。”不过，他也指出，拥有更高保真度的硬件将有助于团队更好地将系统置于基态，或进行更长时间的模拟。但这些都有待未来的硬件来实现了。这体现了量子计算在特定应用领域即使存在一定错误也能提供有效洞察的独特价值。

展望未来：从环形到网格，创新永不止步

如果审视Quantinuum未来的硬件发展路线图，Helios似乎是其同类产品中的最后一个。它和早期版本的处理器都采用环形和长直线段的布局；而未来的一切都将以方形网格为特征。但斯特拉布利和海斯都认为，Helios蕴含着许多关键的过渡性特性。

斯特拉布利解释道：“这些离子在一个电路的运行过程中，会多次穿过那个交叉路口。因此，Helios真正帮助我们提升了交叉路口的可靠性，而这一点将直接应用于未来的大规模系统。”这意味着Helios不仅是当前性能的飞跃，更是未来更宏大构想的试验田和奠基石。

在这张产品路线图中，Helios处于Quantinuum早期处理器简单几何结构与未来网格状设计之间的关键枢纽位置。

未来处理器中出现的方形网格，也将能够实现Helios中环形和“腿”部那样的操作。一些方形区域可以充当存储和分拣的环形区域，而附近的一些直线则可用于操作。

海斯补充道：“它们共同的特点是，你将拥有一个存储和分拣区域，以及位于两侧的门控操作区域，两者相互分离。虽然尚未公开，但这正是我们前进的方向：一个能够在这些二维网格中实现超高速分拣的存储区域，以及具备并行逻辑操作能力的门控区域。”

与此同时，我们很有可能看到Helios自身的持续改进——那些在本次发布中尚未完全实现的想法，未来都有机会被加入。斯特拉布利说：“总会有更多的改进是人们渴望实现的，而我就是那个说‘不，我们现在就推向市场，让大家去使用’的人。所以，我们还有很长一串清单，用于提升Helios的性能。因此，可以期待在Helios的整个生命周期中，其性能会越来越好。”

这些性能的提升，很可能会被用于当前对超导现象的初步研究，或者外媒此前报道的谷歌公司提出的那些算法。这些研究和算法的复杂程度已经达到或超越了经典计算机的能力范围，并有望开始提供一些有益的见解。但毋庸置疑，我们距离量子计算真正兑现其所有承诺，还有一到两代硬件的距离。尽管如此，每一步的创新，都让未来世界的面貌变得更加清晰，让科技进步的火炬熊熊燃烧。

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本文来源：新媒网 https://nmedialink.com/posts/quantinuum-96-qubit-chip-power-surge.html