专题:量子信息技术2023年第7期离子量子计算研究及应用赵文定蔡明磊梅全鑫姚麟杨蒿翔(华翊博奥(北京)量子科技有限公司,北京100176)摘要:量子计算是一种结合量子力学原理的新型计算模式,能在解决特定问题场景中提供指数级别的算力提升,是学术研究和产业发展的热点。而离子阱系统是目前较成熟的通用量子计算平台之一。首先,对离子量子计算的基本原理进行了介绍;然后,探讨了离子量子计算的优缺点以及规模扩展的技术方案;最后,对离子量子计算商业化发展和应用现状进行了概述。关键词:离子量子计算;规模扩展;产业化发展及应用中图分类号:TP387文献标志码:A引用格式:赵文定,蔡明磊,梅全鑫,等.离子量子计算研究及应用[J].信息通信技术与政策,2023,49(7):17-26.DOI:10.12267/j.issn.2096-5931.2023.07.0030引言金融、化学、生物医药、密码学等领域的诸多问题随着规模扩张,所需计算资源随之指数上升,远超经典计算框架的能力。量子计算是目前已知唯一能够提供指数级别算力增长的计算架构[1]。20世纪80年代,PaulBenioff[2]、RichardFeynman[3]等提出了量子计算的概念;1994年,PeterShor[4]提出了质因数分解算法,点燃了量子计算的研究热情;1995年,IgnacioCirac和PeterZoller[5]提出利用离子阱系统实现量子纠缠门,使得量子计算从理论走向试验,并激发了其他量子计算物理平台的发现与发展。此后,量子计算的所有基本元素都在离子阱系统中以高保真度实现。离子阱系统已成为公认的最有可能实现大规模通用量子计算的物理平台之一。1离子量子计算原理2000年,DavidDiVincenzo[6]提出通用量子计算机所需要满足的五大标准,本文将以此为线索,对离子量子计算的基本原理和相应进展作简要概述。1.1量子计算需要在可扩展的物理系统中构建量子比特在离子阱系统中,量子比特是离子的一对内部能级,可用|0〉和|1〉表示。根据两个能级选择标准不同,离子量子比特主要分为三种类型:一是塞曼量子比特(ZeemanQubit),两个能级选取基态能级同一超精细能级上的两个塞曼子能级,两个能级频率差在兆赫兹(MHz)量级,其优点是量子比特寿命接近无穷长;二是超精细量子比特(HyperfineQubit),两个能级选取基态能级不同超精细结构能级上磁量子数为零的子能级,两个能级频率差在吉赫兹(GHz)量级,其优点是量子比特寿命和相干时间长;三是光量子比特(OpticalQubit),一个能级位于基态能级,另一个能级位于亚稳定态能级,两个能级频率差在光学波段,其优点是操作激光处于可见光波段或红外光波段。1.2能够对量子比特进...
