離子阱量子計算機首次進行化學計算

精確量子模擬，僅需幾個原子。

最近，一個國際研究小組開發了一種量子計算機，它能用4個被捕獲的鈣離子計算氫分子和氫化鋰的基態能量。

中國清華大學的Kihwan Kim說，這個名為「如何利用離子阱系統來模擬分子系統」的研究項目已經有了重大突破。他沒有直接參与，但也在研究如何利用這種方法深入研究量子化學。

到目前為止，大多數量子計算領域的頭條新聞已經被超導量子設備搶去，這些設備中的量子信息被編碼在超流波函數(supercurrent wavefunctions)中。例如，谷歌和IBM這兩個科技巨頭都已經成功開發了包含多達50個量子比特的機器，並完成了諸如氫、鋰和鈹氫化物等分子的量子模擬。

但一些研究員認為用於量子計算的最佳量子比特可能是由電磁阱的陣列中的單個離子的量子化能量態產生的。使用激光束可以在離子中寫入和讀出信息，並且可以通過離子的靜電作用在離子之間交換信息。

這項新的工作是由澳大利亞悉尼大學的Cornelius Hempel領導，他之前是悉尼大學因斯布魯克分校的Rainer Blatt小組成員。研究員使用了鈣離子阱陣列來推斷氫和氫化鋰分子的基態能量。它們的量子計算結果與實驗測量和最先進的經典計算結果吻合。

圖片來源：IQOQI/M.R.Knab

該計算使用了一種包含可單獨控制離子阱的20量子比特線性陣列的系統，該系統由因斯布魯克的研究員開發，不過該系統實際只需要3或4個量子比特用於計算。以前使用離子阱進行量子化學研究只用了1個量子比特來模擬氦氫化物離子的電子結構。

計算採用「變分法」，通過在分子軌道之間拖曳電子並尋找最低能量結構，找到量子比特中分子的能量。Hempel和同事將分子軌道中電子態的變化映射到改變離子量子比特狀態的激光操作。

原則上，在分子中原子核位置所指定的電位內，控制電子相互作用的量子規則可通過陣列中的離子相互作用精確再現。這就是量子模擬如此高效的原因，在經典的計算機中，這些規則必須以更繁瑣的方式才能達到相似的效果。

然後，研究人員再用激光讀出離子的最終狀態，若它們處於相當於「1」的狀態，則發出熒光，但如果它們的狀態為「0」,則保持黑暗。通過多次運行來尋找總能量最小的電子結構-分子基態。

美國馬里蘭大學的Chris Monroe也在研究離子阱量子計算，他說這項工作展示了這種方法的巨大潛力。他說，目前只有兩種技術適合運行超過3個量子比特的電路和超過10個操作：離子阱和超導線路。這項研究再次展示了離子阱技術路線的優勢。

Hempel說，離子阱和超導線路這兩種量子計算技術路線都各有利弊。在我看來，目前勝負還未定，在各自的社區中的呼聲主要集中在特定的優點上，而排除了在實際應用中的限制因素。例如，離子阱量子比特的優點是基本上是相同(identical)的，但是用現成的電子產品更好控制和操縱超導量子比特。

他說，使用這些方法製造多達50個量子比特的離子陣列應該是可行的，這將提高精度並使其能夠模擬更大的分子。 Monroe說，一旦我們能在50個量子比特上做1000個邏輯門，我們就可以模擬水和氨等分子。

然而，更多的量子比特也意味著引入更多錯誤的可能性，目前還沒有辦法糾正量子計算中的錯誤。Monroe說，一個能夠糾正錯誤的「邏輯量子比特」可能需要100個或更多個物理量子比特。他說，「量子糾錯將不會在任何系統中發揮作用，除非我們有數千個量子比特，甚至也許要數百萬個。」

本文由量子計算最前沿基於相關資料原創編譯，轉載請聯繫本公眾號獲得授權。

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