量子计算（十六）：其他类型体系的量子计算体系
文章目录
其他类型体系的量子计算体系
一、离子阴量子计算
二、原子量子计算
三、核自旋量子计算
四、拓扑量子计算
其他类型体系的量子计算体系
一、离子阴量子计算
离子研量子计算在影响范围方面仅次于超导量子计算。早在2003年，基于离子阴就可以演示两比特量子算法。离子附编码量子比特主要是利用真空腔中的电场因禁少数离子，并通过激光冷却这些因禁的离子。以因禁Yb+为例，下图（a）是离子阱装置图，20个Yb+连成一排，每一个离子在超精细相互作用下产生的两个能级作为量子比特的两个能级，标记为|↑〉和|↓〉。下图（b）表示通过合适的激光可以将离子调节到基态，然后下图（c）表示可以通过观察荧光来探测比特是否处于|↑〉。离子阱的读出和初始化效率可以接近100%，这是它超过前两种比特形式的优势。单比特的操控可以通过加入满足比特两个能级差的频率的激光实现，两比特操控可以通过调节离子之间的库伦相互作用实现
2016年，美国马里兰大学C.Monroe组基于离子研制备了五比特可编程量子计算机其单比特和两比特的操作保真度平均可以达到98%，运行Deutsch-Jozsa算法的保真度可以达到95%。他们还进一步将离子阴的五比特量子芯片和IBM的五比特超导芯片在性能方面进行了比较，发现离子阴量子计算的保真度和比特的相干时间更长，而超导芯片的速度更快土比特扩展方面两者都有一定的难度不过在20-100个比比特这个数目内，两者现在可能都有一定的突破。除了量子计算，离子附还能用来进行量子模拟，如下图所示。2017年，C.Monroe组使用了53个离子实现了多体相互作用相位跃迁的观测，读出效率高达99%，是这今为止比特数目最多的高读出效率量子模拟器。虽然不能单独控制单个比特的操作，但是这也证明了离子附量子计算的巨大潜力。
对于两比特操控速度问题，这一直是限制离子附量子计算发展的主要因素。两比特门操作速度最快也需要100us，远远高于超导量子比特和半导体量子比特的200ns。2018年，牛津大学的Lucas组通过改进激光脉冲，达到了最快480ns的操作速度，展现了离子研量子计算的丰富前景。
2015年，马里兰大学和杜克大学联合成立了IonQ量子计算公司，2017年7月，该公司获得两干万美元的融资，计划在2018年将自己的量子计算机推向市场，这是继超导量子计算之后第二个能够面向公众的商用量子计算体系。
国内的离子附量子计算也于近几年发展起来。清华大学的金奇免研究组和中国科学技术大学的李传锋、黄运峰研究组已经实现了对一个离子的操控，做了一些量子模拟方面的工作。清华大学计划在五年内实现单个离子附中15-20个离子的相干操控演示量子算法，说明中国也已经加入到了离子阱量子计算的竞赛中。
二、原子量子计算
除了利用离子，较早的方法还包括直接利用原子来进行量子计算。不同于离子，原子不带电，原子之间没有库伦相互作用，因此可以非常紧密地连在一起而不相互影响。原子可以通过磁场或者光场来四禁，用后者可以形成一维、二维甚至三维的原子阵列如下图所示。
原子可以通过边带冷却的方式冷却到基态，然后同样可以通过激光对比特进行操控比特的读出也类似于离子饼的方法。由于没有库伦相互作用，两比特操控在原子中较难实现，它们必须首先被激发到里德堡态，原子的能量升高，波函数展宽，再通过里德堡阻塞机制实现两比特操控。尽管返今为止，原子量子比特的两比特纠缠的保真度只有75%，还远远落后于离子阴和超导比特，但是2016年一篇论文中，通过理论计算，经过波形修饰的两个原子量子比特的纠缠保真度可以达到99.99%。
除了传统的基于量子逻辑门进行量子计算的方法，还有一种实现量子计算的方式是对不同拓扑结构的量子纠缠态进行测量，这两种方法在解决问题的范围上是等价的。在这方面，中国科学技术大学的潘建伟研究组进行了卓有成果的研究，2016年实现了600对量子比特的纠缠，纠缠保真度在79%左右，根据下一步计划，将基于成对的量子比特纠缠实现约百个量子比特集体的纠缠，开展基于测量的量子计算方法。
基于原子的量子模拟可能比量子计算更加受到科研界的关注。利用光晶格中的原子，可以研究强关联多体系统中的诸多物理问题，比如玻色子的超流态到Mott绝缘体的相变和费米子的Fermi-Hubbard模型，经典磁性（铁磁、反铁磁和自旋阻控），拓扑结构或者自旋依赖的能带结构以及BCS-BEC交叉等问题。现在聚焦的主要是量子磁性问题、量子力学中的非平衡演化问题和无序问题。在基于原子的量子模拟方面，2017年哈佛大学Lukin组甚至利用51个原子对多体相互作用的动态相变进行了模拟。我国在2016年，中国科学技术大学的潘建伟研究组对玻色-爱因斯坦凝聚态的二维自旋-轨道耦合进行了模拟，为研究新奇的量子相打开了大门。
三、核自旋量子计算
1997年，斯坦福大学的Chuang等人提出利用核磁共振来进行量子计算的实验，之后，基于核自旋的量子计算迅速发展，Grover搜索算法和七比特Shor算法相继在核自旋上实现。返今为止，它的单比特和两比特保真度可以分别达到99.97%和99.5%。
这种方法一般是利用液体中分子的核自旋进行实验，由于分子内部电子间复杂的排斥作用，不同的核自旋具有不同的共振频率，因而可以被单独操控；不同的核自旋通过电子间接发生相互作用，可以进行两比特操作。下图是一种用于核磁共振实验的分子，里面的两个C原子用13C标记，加上外面5个F原子，它们7个构成实验用的7个比特表中是比特频率、相干时间和相互作用能。
不过这种量子计算方式依赖于分子结构，难以扩展；而且是利用多个分子的集体效应进行操控，初始化比较有难度，该方向还有待进一步的突破。国内从事核自旋量子计算实验的主要有清华大学的龙桂鲁课题组，2017年，该课题组将核自旋量子计算连接到云端，向公众开放使用，该云服务包含四个量子比特，比特保真度超过98%。
四、拓扑量子计算
拓扑量子计算是一种被认为对噪声有极大免疫的量子计算形式，它利用的是一种叫做非阿贝尔任意子的准粒子。为了实现量子计算，首先要在某种系统中创造出一系列任意子-反任意子，然后将这些任意子的两种熔接（fusion）结果作为量子比特的两个能级，再利用编织（braiding）进行量子比特的操控，最后通过测量任意子的熔接结果得到比特的末态。这一系列操作对噪声和退相干都有极大地免疫，因为唯一改变量子态的机制就是随机产生的任意子-反任意子对干扰了比特的编织过程，但这种情况在低温下是非常罕见的，噪声和其他量子比特系统常见的电荷等相比，影响是非常小的。
现在国际上进行拓扑量子计算研究的实验组主要是荷兰代尔夫特理工大学的Kouwenhoven研究组和丹麦哥本哈根大学的Marcus研究组。研究组在实验中获得任意子的方法就是得到马约拉纳费米子，当s波超导体和一条具有强烈自旋-轨道耦合效应的半导体纳米线耦合在一起时，在纳米线的两端就可以产生马约拉纳费米子，实验中可以观察到马约拉纳费米子引起的电导尖峰，当这些纳米线可以很好地外延生长成阵列时就可以进行比特实验。从2012年首次在半导体-超导体异质结中观察到马约拉纳零模的持征开始，到2018年观察到量子化的电导平台，Kouwenhoven研究组的实验已经让大多数科学家认同了可以在这种体系中产生马约拉纳费米子，不仅如此，进行拓扑量子计算的Al-InSb和Al-InP两种半导体-超导体耦合的纳米线阵列已经先后在实验中实现。未来将尝试进行编织实验，实现世界上第一个拓扑量子比特。
除了利用半导体-超导体异质结可以得到马约拉纳费米子，其他获得的方式还包括量子霍尔效应、分数量子霍尔效应、二维无自旋超导体和超导体上的铁磁原子链。最近在量子反常霍尔绝缘体-超导结构中发现的一维马约拉纳模式也被认为可以用于拓扑量子计算，但是基于马约拉纳费米子进行的拓扑量子计算仍然不能满足单比特任意的旋转，它仍然需要和其他形式的量子比特互补或者通过某种方法进行近似的量子操作，不过，对高质量量子比特的追求仍然推动着科学家研究拓扑量子比特。
不同于其他美国巨头公司，微软公司在量子计算方面押注在拓扑量子计算，认为现在量子比特的噪声仍然太大，发明一种保真度更高的量子比特将有助于量子比特的高质量扩展，进而更容易实现量子计算。其与荷兰代尔夫特理工大学、丹麦哥本哈根大学、瑞士苏黎世理工大学、美国加州大学圣芭芭拉分校、普渡大学和马里兰大学在实验和理论上展开了广泛的合作，目标是五年内制备出世界上第一个拓扑量子比特，其拓扑保护的时间可长达一秒。中国在拓扑量子计算方面也开始发力，2017年12月1日，中国科学院拓扑量子计算卓越创新中心在中国科学院大学启动筹建，国科大卡弗里理论科学研究所所长张富春任中心负责人。未来几年可能是中国拓扑量子计算的高速发展期。
从目前量子计算的发展脉络来看，各种体系有先有后，有的量子计算方式现在已经让其他方式望尘莫及；有的量子计算方式还有关键技术或待突破；也有的量子计算方式正在萌芽之中。就像群雄逐鹿中原，鹿死谁手，尚未可知。有观点认为，未来量子计算机的实现可能是多种途径混合的，比如利用半导体量子比特的长相干时间做量子存储超导量子比特的高保真操控和快速读出做计算等等；也有观点认为，根据不同的量子计算用途，可能使用不同的量子计算方法，就像CPU更适合任务多而数据少的日常处理而GPU更适合图像处理这种单一任务但数据量大的处理。无论未来的量子计算发展情况，如何，中国在各个量子计算方式上都进行了跟随式研究，这是我国现有的技术发展水平和国家实力的体现。随着国家对相关科研的进一步投入，相信未来在量子计算的实现方面，也可以领先于世界其他国家，实现弯道超车。
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