新的量子硬件将力学融入量子力学 —— 作为测试用例，该机器用于测试超导模型。 作者： 时间：2025-11-06 来源： 加入技术交流群 扫码加入和技术大咖面对面交流海量资料库查询

基于离子或原子的量子计算机有一个主要优势：硬件本身不是制造的，因此没有设备之间的差异。每个原子都是相同的，每次都应该表现相似。由于量子比特本身可以移动，因此理论上可以将任何原子或离子与系统中的任何其他原子或离子纠缠在一起，从而在执行算法和纠错方式方面具有很大的灵活性。

这种一致的高保真性能与全对全连接的结合导致了在捕获离子硬件上完成的量子计算的许多关键演示。不幸的是，硬件因相对较低的量子比特数量而受到一些阻碍——与其他技术中的一百个或更多相比，只有几十个。但周三，一家名为 Quantinuum 的公司宣布了其捕获离子硬件的新版本，该硬件显着增加了量子比特数量，并使用一些有趣的技术来管理其作。

中性原子和捕获离子计算机都将其量子比特存储在原子核的自旋中。该自旋在某种程度上被原子核周围的电子云与环境隔绝，使这些量子比特具有相对较长的相干时间。虽然中性原子由激光网络固定到位，但捕获的离子则通过基于离子电荷的电磁控制进行纵。这意味着硬件的关键组件可以使用标准电子制造来构建，尽管仍然需要激光来进行作和读出。

虽然电子设备是静态的——它们停留在制造的地方——但它们可以用来移动离子。这意味着，只要原子可以移动的轨道使它成为可能，任何两个离子都可以靠近并纠缠在一起。这种全方位的连接可以更有效地实现直接在硬件量子比特上执行的算法，或者使用需要复杂连接几何形状的纠错码。这就是 Microsoft 使用 Quantinuum 机器演示基于 tesseract 的纠错代码的原因之一。

但是，排列轨道以便任意两个量子比特可以彼此相邻，可能会变得越来越复杂。移动离子是一个相对缓慢的过程，因此过于频繁地从芯片的远端检索两个离子可能会导致系统开始向上推量子比特的相干时间。从长远来看，Quantinuum 计划构建具有方形网格的芯片，让人联想到许多城市的街道布局。但这样做需要掌握控制离子通过四向交叉点的流动。

这就是 Quantinuum 在其名为 Helios 的新芯片中部分所做的。它有一个连接两个离子存储区域的交叉点，从而能够在离子从芯片的一端晃动到另一端时进行作。而且它配备了比早期硬件更多的量子比特，在不牺牲性能的情况下从 56 量子比特增加到 96 量子比特。“我们保留了甚至提高了两个量子比特门的保真度，”Quantinuum 副总裁 Jenni Strabley 告诉 Ars。“因此，随着我们越来越大的尺寸，我们没有看到双量子比特门保真度有任何下降。”

下图是使用硬件本身原子的荧光拍摄的。如您所见，布局以两个特征为主：左侧的环和向右延伸的两条腿。它们通过四向交叉路口连接。Quantinuum 的工作人员将这个交叉点描述为计算机作的核心。

该系统通过围绕环路旋转离子来工作。当离子到达交叉点时，系统会选择是否将其踢到其中一条腿上，如果是，则选择哪条腿。“我们几乎像硬盘驱动器一样旋转那个环，真的，每当我们想要门控的离子靠近连接处时，就会发生一个决定：要么离子进入 [腿]， 或者它稍微转了一圈，然后回到擂台上，“Quantinuum 的计算设计和理论总监 David Hayes 说。“你可以只用几个电极来做出这个决定，这些电极就在那里的那个 X 处。”

每个支路都有一个可以进行作的区域，因此该系统可以确保正确的量子比特一起存在于双量子比特门等作区域中。作完成后，可以将量子比特移动到腿存储区域，并可以打乱新的量子比特。当腿填满时，可以将量子比特发送回循环，并重新启动该过程。

“如果所有交通都单向通过登机口区域，那么交通拥堵就会减少，”海耶斯告诉 Ars。“如果你必须把它们移过彼此，你就必须进行某种物理交换，你想避免这种情况。”

显然，除了最简单的作之外，发出所有命令来控制硬件将是相当具有挑战性的。这使得编译器越来越受到重视，这些编译器在您希望量子计算机执行的作和实现它所需的实际硬件命令之间添加了重要的抽象层。Quantinuum 开发了自己的编译器来获取用户生成的代码并生成控制系统可以转换为所需命令序列的内容。

控制系统现在包含一个实时引擎，可以从 Helios 读取数据并根据量子比特的状态更新它发出的命令。Quantinuum 的这一部分系统运行在 GPU 上，而不需要定制硬件。

Quantinuum 的用户 SDK 称为 Guppy，基于 Python，经过修改，允许用户描述他们希望系统执行的作。Helios 伴随着新版本的 Guppy，其中包括一些传统的编程工具，如 FOR 循环和基于 IF 的条件。这些对于我们在迈向纠错量子比特时想要做的事情至关重要。这包括测试错误、修复错误（如果存在）或反复尝试初始化，直到成功而没有错误。

海耶斯说，新版本也在朝着纠错的方向发展。由于 Guppy 能够动态重新分配量子比特，Helios 将能够作为具有 94 个量子比特的机器运行，同时检测其中任何一个量子比特的错误。或者，可以将 96 个硬件量子比特配置为托管 48 个纠错量子比特的单个单元。“这实际上是一个串联的代码，”海耶斯告诉 Ars。“你把两个错误检测代码编织在一起......它是一个代码块，但它内部装有 48 个逻辑肘。（海耶斯说这是一个距离四代码，这意味着它最多可以修复同时发生的两个错误。

虽然与大多数竞争对手相比，Quantinuum 硬件的错误率一直很低，但 56 个量子比特只能做这么多。现在有 96 个可供使用，该公司的研究人员决定构建一个模型的量子实现（称为费米-哈伯德模型），旨在帮助研究向超导过渡过程中发生的电子配对。

“肯定有一些术语是模型没有捕捉到的，”Quantinuum 的 Henrik Dreyer 承认。“它们忽略了 [电子] 仍然具有的电排斥力——我的意思是，它们仍然带负电;他们仍然排斥。肯定有一些模型没有捕获的术语。另一方面，我应该说这个费米-哈伯德模型——它具有超导体所具有的许多特征。

当电子结合形成所谓的库珀对，克服其正常排斥力时，就会发生超导性。该模型可以将其与相同材料的正常电导率区分开来。

“你问一个问题， 其中一个带电粒子由于量子涨落而自发消失并到达这里的可能性有多大？ 德雷尔说，描述了模拟导体时会发生什么。“人们在超导方面所做的是他们采用这个概念，但他们不是问单电荷粒子自发隧道的可能性有多大，而是问一对自发隧道的机会有多大？”

然而，即使采用简化形式，它仍然是量子系统的模型，并具有随之而来的所有计算复杂性。因此，Quantinuum 团队对一些经典计算机难以处理的系统进行了建模。一个只是查看比大多数经典模拟更大的原子网格;另一个将网格扩展到一个额外的维度，对材料层进行建模。也许最复杂的模拟涉及当正确波长的激光脉冲在室温下撞击超导体时会发生什么，这一事件会短暂地诱发超导状态。

即使没有纠错，系统也会产生结果。“这可能是一个技术点，但我认为这是非常重要的技术点，那就是我们运行的赛道，它们都有错误，”德雷尔告诉 Ars。“也许平均有三个左右的错误，并且由于某种原因，对于这个应用程序来说，这还不是很完全理解，这并不重要。在其中一些情况下，你仍然会得到几乎完美的结果。

也就是说，他还表示，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运行更长时间的模拟。但这些将不得不等待未来的硬件。

如果您查看Quantinuum 未来硬件的路线图，Helios 似乎是同类产品中的最后一款。它和早期版本的处理器具有环路和大直线延伸;未来的一切都以正方形网格为特色。但 Strabley 和 Hayes 都表示，Helios 有几个关键的过渡特征。“这些离子在循环过程中会多次穿过该结，”Strabley 告诉 Ars。“因此，它确实使我们能够提高结点的可靠性，这将转化为大型系统。”

在未来处理器中看到的正方形集合也将允许使用 Helios 的环和腿完成相同类型的作。一些方块在存储和排序方面可以相当于一个循环，而附近的一些直线则可用于作。

“它们的共同点是一般概念，即你可以有一个存储和分拣区域，然后在侧面设置门控区域，它们彼此分开，”海耶斯说。“它还没有公开，但这就是我们前进的方向：一个存储区域，您可以在其中在这些 2D 网格中进行非常快速的排序，然后对具有可并行逻辑作的门控区域进行分类。”

与此同时，我们可能会看到对 Helios 的改进——这些想法并没有完全出现在今天的发布中。“人们总是想再做一项改进，而我就是那个说， 不，我们现在就要走的人。把它放到市场上，人们就会去使用它， “斯特拉布利说。“因此，我们将添加一长串东西来提高性能。因此，预计在 Helios 的过程中，性能会变得越来越好。

这种性能可能会用于在超导性或谷歌最近描述的算法方面所做的那种初始工作，该算法达到或略超出经典计算机的管理能力，并可能开始提供一些有用的见解。但我们还需要一两代人才能开始看到量子计算实现其一些承诺。