5月30日，清华大学的一项成果被Nature审稿人称为“量子模拟领域的巨大进步”！“值得关注的里程碑”！该成果就是中国科学院院士、清华大学交叉信息研究院教授段路明带领研究组在量子模拟计算领域取得的重要突破。段路明研究组首次实现512离子二维阵列的稳定囚禁冷却以及300离子量子比特的量子模拟计算。
而不到一周之后，在6月5日，Quantinuum就宣布了一个基于离子阱量子计算机研究的里程碑！那就是Quantinuum所研发的H2-1 处理器从 32 个量子比特升级到 56 个量子比特，进一步增强了其市场领先的保真度，这使得经典计算机无法完全模拟量子计算机。
另外，十分关键的是，Quantinuum和摩根大通的联合团队运行了随机电路采样 (RCS) 算法，与谷歌 2019 年的行业结果相比，取得了 100 倍的显著提升，并创下了交叉熵基准测试的新世界纪录。H2-1 的规模和硬件保真度相结合，使得当今最强大的超级计算机和其他量子计算架构难以匹敌这一结果。其相关成果论文在6月4日以“The computational power of random quantum circuits in arbitrary geometries” 为题发表于arxiv。
该研究只是 Quantinuum 在 2024 年取得的一系列突破中的最新一项。得益于一系列最近的成就，Quantinuum认为：“我们将帮助整个量子计算行业进入了一个新时代--后经典时代，摆脱长期以来主导量子计算行业的‘观望’文化。”口气听起来很大，但Quantinuum是否真的做到了呢？中美最新的两项研究成果哪个更胜一筹呢？
解读中美最新研究成果：没有可比性，各自领域最优！
针对段路明院士团队跟Quantinuum所发布的最新成果，我们可以这样来解读：
（1）清华大学段路明院士团队首次实现了512离子二维阵列的稳定囚禁冷却以及300离子量子比特的量子模拟计算是离子阱路线做量子模拟的最好成果。而Quantinuum所研发的56个量子比特的H2-1处理器，两量子比特门保真度达到了99.843%则为门路线最好的成果。二者完全没有可比性。
离子阱作为通用量子计算路线，可利用激光或微波脉冲来精确控制离子的量子态，从而实现各种量子门操作，以执行任何量子算法。但作为通用路线，离子阱技术同样可以来做量子模拟，即允许构建适应特定计算任务需求的专用量子计算架构。
因此，可以说段院士团队与Quantinuum为离子阱路线是在短时间内在完全不同行分支领域均取得突破性的进展，都是非常惊艳的。
（2）Quantinnum曾在美国2024年3月的APS会议上展示了一种新的量子逻辑门架构，本次对于56个量子比特的高保真度的双量子比特门，可能就是该项工作的延申。
（3）虽然目前Quantinnum在量子比特数量上取得了突破，但值得注意的是，其在再向千比特阱扩展的过程中，依然存在着诸多基于其本身架构上的挑战。而对于中国团队来说，恰恰是很好的超越机会。
目前我们已经在512离子二维阵列的稳定囚禁冷却以及300离子量子比特的操控方面具有技术优势，因此在加入对大规模比特的精确寻址后，相较于Quantinnum现有的架构，或有望率先完成单阱千比特的突破。
除此之外，还有一点是确定的，那就是目前针对离子阱量子计算机的研究不断取得新的突破，Quantinuum所声称的告别经典模拟时代，或许不是一句空话。
离子阱量子计算机的最新研究进展
离子阱，又称囚禁离子，是一种利用电磁场将离子（即带电原子或分子）束缚在特定区域内的技术。通过激光或微波操纵囚禁离子的两个内能级就可以实现量子计算，基于这种技术研制的量子计算机被称为离子阱量子计算机。离子阱技术路线具有很多优势，例如无需极低温冷却，天然离子量子比特具有全同性、保真度高、相干寿命长，能通过离子-光子纠缠实现多台量子计算机互联等。针对离子阱量子计算机的最新研究如下：
2024年3月13日，瑞士苏黎世联邦理工学院量子中心在Nature发表题为Penning micro-trap for quantum computing的论文。射频阱离子是构建量子计算机的有效方法，但射频应用在规模化中存在挑战。论文研究者们开发了一种新型微型彭宁离子阱，利用特斯拉磁场代替射频，解决了这些挑战。该技术实现了离子的全面量子控制和灵活传输，为改进量子计算架构、实现大规模量子计算和传感提供了新途径。
2024 年 4 月16日， Quantinuum通过在其商用量子计算机中实现历史性和备受推崇的“3个9”两量子比特门保真度，并宣布其量子体积已超过一百万——比其最接近的竞争对手高出指数级。
量子纠错的成功依赖于高保真度的物理硬件。Quantinuum公司已实现商用量子计算机中"3个9"（99.9%）两量子比特门保真度，超越了以往实验室演示，展示了H1-1系统上所有量子比特对的可重复性能。此外，Quantinuum宣布达到七位数量子体积（QV），即1,048,576，显著领先于世界最高性能量子计算机的建造承诺。
2024年5月30日，清华大学段路明研究组首次实现512离子二维阵列的稳定囚禁冷却以及300离子量子比特的量子模拟计算。该成果实现了国际上最大规模具有单比特分辨率的多离子量子模拟计算，将原来该研究组保持的离子量子比特数国际记录（61离子）往前推进了一大步，并首次实现基于二维离子阵列的大规模量子模拟。
2024年5月30日，荷兰NXP（恩智浦）公司、德国离子阱量子计算公司eleQtron和奥地利量子软件公司ParityQC在DLR（德国宇航中心）量子计算计划（DLR QCI）的QSea联盟中合作，发布了德国的第一款完全自主研发的基于离子阱的量子计算演示机QSea I。它将使早期访问真实量子计算资源成为可能，从而帮助企业和研究团队利用量子计算在气候建模、全球物流和材料科学等应用中的优势。
突破超级计算的极限！
业界首款离子阱 56 量子比特量子计算机
根据Quantinuum 在6月4日发表在arxiv上的最新研究论文，研究人员所研发的是业界首款离子阱 56 量子比特量子计算机。论文首先强调了量子计算机与经典计算机在处理特定任务时的性能差异，特别是在输出分布采样方面。实验结果表明，量子计算机在这类任务上具有潜在的超越经典计算机的能力。这种能力上的差异激发了对量子硬件的进一步研究和开发，以提高其性能并减少错误。
目前，研究者们尝试通过基于张量网络技术的经典模拟来理解并缩小量子计算机与经典计算机之间的差距。然而，这些模拟的局限性，如处理能力和资源限制，揭示了量子硬件需要在哪些方面进行改进，以实现对复杂量子系统的高效模拟。特别是，文章提到了对于超过大约50个量子比特的量子计算机，它们在门保真度和连接性方面的限制成为了主要的挑战。
为了克服这些限制，量子硬件的设计需要在提高量子比特的保真度、增强连接性、扩展量子系统规模等几个方面进行改进。Quantinuum公司H2量子计算机的硬件升级，就是朝这些方向努力的一个例子。Quantinuum公司的H2量子计算机经过最新硬件升级后，实现了在56量子比特上的运行能力，并且这些量子比特之间可以任意连接。这一升级是量子计算技术发展中的一个显著成就，因为它不仅大幅增加了量子计算机的处理能力，还为解决更复杂的计算任务提供了可能性。任意连接性意味着量子比特之间的相互作用不再受到物理布局的限制，从而为执行复杂的量子算法和实现更高效的量子错误校正提供了更大的灵活性。
在不同的量子比特数量和电路深度下，从H2数据估计保真度
展示如何在H2量子计算机上执行具有任意连接性的密集门电路
此外，H2量子计算机的两量子比特门保真度达到了99.843%，这是一个非常高的数值，表明量子门操作的准确性非常接近理想状态。高保真度对于提高量子计算的可靠性和减少计算错误至关重要。
这种高保真度的实现，结合量子比特数量的增加，使H2量子计算机的另一个显著特点是其任意连接性，这一特性对于量子计算领域具有重大意义。不同于传统计算机中比特之间相对固定的连接方式，H2量子计算机允许量子比特（qubits）之间实现更加灵活的相互作用。这意味着，量子比特之间的连接性不是由它们在物理空间中的布局决定的，而是由计算机的控制系统动态配置的。任意连接性为量子计算带来五大优势：1. 设计灵活性，让算法设计更高效强大；2. 错误校正增强，提高稳定性和可靠性；3. 资源优化，减少所需量子比特；4. 适应性强，增强通用性和适用性；5. 扩展性大，为未来大规模量子处理器设计提供可能。
对具有随机几何结构的电路和二维几何结构的电路的复杂度密度进行比较
利用H2的高保真度和任意连接性，作者们展示了在高度连接的几何结构中进行随机电路采样（Random Circuit Sampling, RCS）的能力。这种采样在保真度和规模上都达到了前所未有的水平。具体来说，H2量子计算机的高保真度意味着它在执行量子门操作时出错的概率极低，这保证了采样结果的准确性。而任意连接性则允许量子比特之间实现复杂的相互作用，这对于构建高度连接的电路结构至关重要。
作者们通过在H2上进行实验，展示了这种采样能力。他们构建了具有高度连接性的随机电路，并在这些电路上进行了采样。实验结果显示，H2量子计算机能够在保持高保真度的同时，处理大规模的量子电路，这在以往的量子计算机上是难以实现的。同时，RCS任务展示经典计算机模拟量子计算机时所面临的挑战。RCS要求从量子电路产生的随机输出分布中抽取样本，这在经典计算中被认为是一项极具难度的任务，因为随着量子比特数量的增加，所需的计算资源会指数级增长。
本文中实验实现的电路的示意图例
文章还强调了H2量子计算机在执行随机电路采样等特定任务时，已经展现出超越最先进经典算法的能力。这主要得益于H2量子计算机的两大优势：高保真度和大规模的量子比特连接性。高保真度：H2量子计算机实现了99.843%的两量子比特门保真度，这意味着其量子门操作的准确性极高，减少了计算过程中的错误，提高了结果的可靠性。大规模量子比特连接性：H2量子计算机能够处理具有任意连接性的56量子比特，这种连接性为执行复杂的量子算法提供了可能，因为它允许在量子比特之间建立复杂的相互作用。
不过，文章也指出，对于H2量子计算机进行经典模拟的难度，主要受到量子比特数量的限制。随着量子计算机中量子比特数量的增加，量子计算机在处理特定任务时相比经典计算机的优势将会更加显著。这是因为量子比特的增加会使得量子态的复杂性指数级增长，而经典计算机在模拟这种复杂性时会遇到巨大的困难。
同时，文章也强调了QCCD架构（Quantum Computing Control and Data Acquisition）的可扩展性对于量子计算未来发展的重要性。QCCD架构是一种用于量子计算机的控制系统，它负责量子比特的操控和数据的获取。这种架构的可扩展性意味着它能够适应量子计算机规模的增长，从而支持更大规模的量子算法和应用的实现。
随着量子计算机硬件的不断进步和量子算法的深入研究，QCCD架构的可扩展性将为量子计算机的长期发展提供坚实的基础。这不仅有助于实现量子计算机在特定任务上超越经典计算机的目标，也为量子计算机在更多领域的应用打开了大门，包括材料科学、药物发现、优化问题和密码学等。因此，QCCD架构的发展前景和其在大规模量子计算中的潜在作用，对于整个量子计算领域来说都是至关重要的。
最后，文章展望了量子计算机相对于经典计算机的计算优势，并讨论了在没有量子错误校正的情况下，如何实现量子计算优势的可能性。作者们认为，随着量子计算机规模的扩大和错误率的降低，非错误校正的量子计算机在某些任务上的性能将显著优于最佳经典算法。
针对此项研究成果，Quantinuum 认为，这里程碑式的公告明确表明，H2-1 量子处理器能够以远高于传统计算机的效率执行计算任务。它们支持这样的预期：随着我们的量子计算机从今天的 56 个量子比特扩展到数百、数千乃至数百万个高质量量子比特，传统超级计算机将很快落后。随着对传统计算机在模拟分子和材料结构等高密度工作负载（人们普遍认为这些任务可以通过量子计算机加速）上的功耗的审查不断增加，Quantinuum 的量子计算机很可能成为首选设备。
随着我们的量子比特数升级到 56，我们将不再提供商业“全包式”模拟器——现在不可能对我们的 H2-1 量子处理器进行数学上精确的模拟，因为它会占用世界上最好的超级计算机的全部内存。有了 56 个量子比特，获得精确结果的唯一方法是在实际硬件上运行，这是该领域的领导者已经接受的趋势。
更广泛地说，这项研究表明，在衡量量子计算机的性能时，连接性、保真度和速度都是相互关联的。我们的竞争优势将长期存在；随着我们在逻辑层面运行更多算法，连接性和保真度将继续在性能中发挥关键作用。
量子先锋：技术突破助力商业应用
在2021年从国防承包商巨头霍尼韦尔分拆并收购英国量子公司Cambridge Quantum后，Quantinuum公司开始全力发展量子计算机。
3年过去了，Quantinuum公司已显著进步，正攀登至估值50亿美元的高峰。今年1月，公司完成了一轮高达3亿美元的股权融资，使得自成立以来筹集的资金总额达到约6.25亿美元，远高于业内其他公司。
Quantinuum不断实现技术突破，通过提供集高性能硬件、操作系统和量子算法于一体的全栈解决方案，确保其在量子计算领域的杰出表现。6月4日的公告是 Quantinuum 在 2024 年取得的一系列突破中的最新一项：
2024年3月，Quantinuum的研究人员提出了解决“布线问题”和“分类问题”的方案。新闻稿中提到，Quantinuum的方法通过简化控制系统，采用固定数量的模拟信号和单个数字输入为每个量子比特，降低了控制量子比特的传统复杂性，使得增加量子比特数量变得更加可行。该团队还开发了一种特别设计的二维陷阱芯片，有效地移动和交互量子比特，克服了传统线性或环形量子比特排列的空间和操作限制，增强了量子计算系统的功能和可扩展性。
2024年 4 月16日， Quantinuum 的 H 系列成为第一个在生产设备的所有量子比特对中实现“三个 9”——99.9%——两量子比特门保真度的产品，这是实现容错的关键里程碑。
此外，Quantinuum还与微软共同宣布了在量子纠错领域的突破，展示了创建历史上最可靠的逻辑量子比特的能力。通过在其H2量子计算机上将30个物理量子比特编码为4个逻辑量子比特，该团队实现了低于物理电路错误率的逻辑电路错误率，这是其全栈量子计算机的独有能力。
这三项成就的取得将Quantinuum定位为整个行业的领导者。公司表明，将继续保持这一领先地位。Quantinuum是全球领先的量子计算公司，其一流的科学家和工程师不断推动技术发展，为用户开拓更多可能性。他们的应用工作涉及量子化学、量子蒙特卡罗集成、量子拓扑数据分析、凝聚态物理、高能物理、量子机器学习和自然语言处理等领域，为应对一些最大挑战带来新的解决方案。
Quantinuum的快速发展对于评估量子技术和战略的组织具有重要意义，标志着量子计算不仅已现身，还开始对商业产生重大影响。尽管完全成熟的量子计算机仍需数年才能问世，这一趋势却已十分明显。
Ilyas Khan
尽管已取得一系列研究成果，Quantinuum的首席执行官Ilyas Khan表示，Quantinuum的旅程并未结束。Khan说：“至关重要的是，随着量子计算机开始以传统模拟无法实现的方式运行，我们的客户将在他们的日常运营中获得切实的好处。接下来的几个月将非常令人兴奋，我们将与多个领域的合作伙伴一起揭晓一些将在这一背景下开始发挥重要作用的应用程序。”母公司霍尼韦尔曾预测，到2050年，量子应用将创造出1万亿美元的市场价值，届时，Quantinuum将进入超过一半（5500亿美元）的潜在市场，包括化肥生产（2000亿美元）、制药和医疗保健（1100亿美元）以及新材料设计（1700亿美元）等领域。
Khan表示：“我们期待着进一步分享我们的短期、中期和长期路线图，并分享我们人工智能战略的细节。”
我们可以看到，随着技术的不断突破和创新，离子阱量子计算机领域正迎来重要的发展机遇。我们正在加速离子阱量子计算的应用研究和实际落地。同时，对于一个前沿科研成果来说，见刊是需要一段时间的，这也给我们留下更多想象的空间，期待我国的团队在国际上可以取得高的成果！
参考链接
https://arxiv.org/abs/2406.02501
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07459-0
https://www.quantinuum.com/news/quantinuums-h-series-hits-56-physical-qubits-that-are-all-to-all-connected-and-departs-the-era-of-classical-simulation
https://www.quantinuum.com/news/quantinuum-launches-industry-first-trapped-ion-56-qubit-quantum-computer-that-challenges-the-worlds-best-supercomputers
