量子计算（十六）：其他类型体系的量子计算体系_量子计算分类(1)
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
该类量子计算方法在应用领域中与超导量子计算齐平。早在2003年就已实现两比特量子算法的实际操作。其中采用的是阳极移码编码技术，在真空中利用禁少数阳极原子来构建量子比特系统，并通过激光冷却技术将这些处于禁态的原子固定下来。以阳极发射性Yb+为例：如图（a）所示是一个典型的离子阱装置图，在其内部排列着20个Yb+原子，在超精细相互作用的作用下每个原子都会产生两个能级状态作为量子比特的状态标记|↑〉和|↓〉。如图（b）所示经过适当调制后这些原子会被带入基态运行状态；而如图（c）所示通过观测荧光信号即可检测出原子所处的具体状态是否为|↑〉或|↓〉两种情况之一。这种系统具有读出效率高达100%的特点这使其在性能上超越了前两种方法的技术路线。对于单个量子比特的操作可以通过施加频率匹配于单个能量间隔变化规律的激光场即可实现对单个原子的操作；而对于双子系统的操控则需调节相邻原子之间的库伦排斥力从而完成相应的双子态操作。
2016年, 美国马里兰大学C.Monroe研究团队基于离子基构建成了一个五比特可编程量子计算机. 该系统在一比特与两位比特操作的成功率上均达到了98%, 并且运行Deutsch-Jozsa算法时的成功率为95%. 他们进一步将离子基五比特量子芯片与IBM公司的五比特超导芯片进行了性能对比, 发现离子基体系在成功概率与量子相干时间方面均优于超导体系, 而超导芯片则在运算速度上表现更为突出. 在处理20-100位左右的问题规模时, 两者均存在一定局限性, 但在这一范围内仍具备突破潜力. 此外, 离子基还具备用于量子模拟的能力. 在2017年,C.Monroe团队利用该系统实现了包含多体相互作用在内的相位跃迁观测, 达到了惊人的测量精度高达99%, 这一成果标志着最多包含53个离子参与的高测不准率量子模拟器正式诞生. 尽管无法单独控制每个离子的操作, 但这充分展现了离子基体系在量子计算领域的巨大潜力.
对于两比特操作速度的瓶颈问题而言，这是制约离子附着型量子计算机发展的关键因素之一。最快速度达到100纳秒的操作门仍远高于超导量子位和半导体量子位的200纳秒水平。2018年，在牛津大学Lucas研究组的努力下通过优化激光脉冲技术实现了480纳秒的操作时速展现出量子计算领域的广阔前景
于2015年成立的是一家由马里兰大学与杜克大学联姻而成的量子计算公司。于同年7月收获了二百万美元的资金支持。预期将在次年将其开发出的量子计算机推向市场。这也是继超导型之后推出的第二个面向公众商用的量子计算平台。
近年来国内在离子附量子计算领域取得了进展。其中清华大学及其下属的研究机构如中国科学技术大学的研究团队已在操控单个离子方面取得突破性进展。基于此目标，在未来五年内清华大学将展示单个离子与最多20个相邻离子之间的精确调控能力。此举标志着我国在量子计算领域的研究已与国际接轨。
二、原子量子计算
非利用离子而言，早期的方法主要通过直接使用原子来进行量子计算的研究进展较为显著。与离子相比，原子具有无电荷的特点，并且由于缺乏库仑相互作用力的作用，在高度密集排列且彼此之间不会互相干扰的情况下能够实现精确的操作控制。使用磁场或光场等手段能够有效操控这些原子的状态特性，在这种调控下不仅可以生成一维、二维或三维的有序排列结构，并且如图所示展示了具体的实验布局方案。
通过边带阻塞的方式使原子冷却至基态，在随后的操作中使用激光对比特进行读取操作类似于离子阱方法的操作流程。因为缺乏库伦相互作用的原因，在原子体系中双比特操控面临较大挑战，在这种情况下比特必须首先被激发至里德堡态以实现操作。这一过程伴随着原子能量水平的提升以及波函数的空间扩展特性，并借助里德堡阻塞效应实现了双比特的操作目标。尽管目前为止有关于双比特纠缠保真度的研究成果仅有75%，但2016年一篇论文通过引入波形修饰技术将两个原子量子比特之间的纠缠保真度显著提升了99.99%。
除了采用基于传统量子逻辑门的操作模式外，在当前研究领域中还衍生出一种全新的实现路径——通过测量特定拓扑结构中的量子纠缠态来进行运算这一创新性方法与前述两种途径在解决复杂问题的能力上表现相同效果。值得关注的是，在这一领域内中国科学技术大学潘建伟团队取得了显著研究成果具体而言他们于2016年构建了拥有600对纠缠量子比特的新平台实现了纯度保持能力高达79%的成功记录按照后续规划将按照新的实验方案推进相关研究工作
基于现有研究显示，在光晶格系统中进行原子量子模拟可能相较于传统量子计算技术具有更高的关注度。该技术通过模拟强关联多体系统的动态行为，在玻色子超流态向Mott绝缘体转变、费米子的Fermi-Hubbard模型、经典磁性（包括铁磁、反铁磁及自旋阻控）、拓扑结构或自旋依赖型能带结构等方面展现出独特优势。当前研究重点主要集中在量子磁性效应、非平衡动力学演化问题以及无序体系的动力学行为等方面。在该领域取得的重要进展包括：哈佛大学Lukin团队利用51个原子成功模拟了多体相互作用的动态相变；而我国科学技术大学潘建伟领导的研究组则通过二维自旋-轨道耦合玻色-爱因斯坦凝聚态实验首次实现了对新奇量子相态的基本探索。
三、核自旋量子计算
斯坦福大学的研究团队于1987年首次提出了利用核磁共振技术进行量子计算的方法，并在此基础上推动了后续研究的发展。随后得到了快速的发展，在这一领域取得了显著进展。在这一研究方向上成功实现了Grover搜索算法以及七比特Shor算法的具体应用。到目前为止，在单比特与两比特量子位之间的保真度已经达到分别为^{2}分别为^{3}各自的数值表现出了较高的稳定性与可靠性。
该方法通常借助液体分子的核自旋特性来进行实验。由于分子内部电子之间的复杂排斥关系，不同核自旋具有独特的共振频率，因而可实现独立操控。同时，在这种系统中，不同核自旋通过电子媒介实现相互作用进而完成两比特的操作。下图展示了用于核磁共振实验的关键分子结构。其中两个碳原子被13C标记，并附加了五个F原子。它们总共构成了七个关键参数表：包括比特频率、相干时间和相互作用能。
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