2024年大数据最全量子计算（十六）：其他类型体系的量子计算体系_量子计算分类，3个月学会大数据开发开发
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离子阱型量子计算在覆盖范围方面略逊于超导量子计算。早在2003年，在没有磁场的情况下就已经能够演示两比特量子算法。离子附编码量子比特主要是通过真空腔内的电场效应来实现的，并通过激光冷却达到因禁状态下的最佳条件。以Yb+为例，在图（a）所示的离子阱装置中并置排列了20个Yb+原子，在超精细相互作用下每个原子分别占据两个能级作为量子比特的状态基底|↑〉和|↓〉。如图（b），通过适当的激光调控可以使原子处于基态；而图（c）则展示了可以通过观察荧光来检测原子所处的状态是否为|↑〉基态。这种装置在读出与初始化效率上可接近100%，这使其在单比特操作效率上显著优于其他形式的量子比特系统；此外通过对库伦相互作用强度进行调节还可以实现两比特的操作控制
截至2016年, 美国马里兰大学C.Monroe科研团队基于离子开发出了五比特可编程型量子计算机. 该团队不仅实现了单比特与两比特操作的保真度平均达到了98%, 并且Deutsch-Jozsa算法运行时的保真度也达到了95%. 此外, 科研团队还对离子阴技术与IBM超导技术在性能指标上展开了对比分析. 结果表明, 离子阴技术在操作保真度以及信道相干时间方面表现更为优异, 而超导技术则以其运算速度领先于前者. 不过, 在20-100个比（bit）这一数量级内, 两种技术均展现了较大的发展潜力. 除了在量子计算领域外, 离子附还有助于实现量子模拟功能. 如下图所示.
由于两比特操控速度问题其成为制约离子附体量子计算机发展的关键瓶颈其中最快速度达到100纳秒较之于超导体和半导体基底芯片而言这一成果不仅标志着离子体量子计算技术的重大进步在2018年的一项突破性研究中牛津大学Lucas研究组实现在480纳秒的操作效率展现了离子研量子计算领域的巨大潜力
在2015年之际, 马里兰大学与杜克大学共同创建了IonQ 量子计算公司. 于2017年7月, 该公司的融资获得了两百万美元的资金支持. 预计该机构将在本年度推出其量子计算机产品. 这也标志着继超导型商业量子计算机之后又一个面向公众的商用型量子计算体系得以实现.
近年来国内在离子附量子计算领域也取得了显著进展。清华大学金自强研究组与中科大李传锋、黄运峰等研究团队已在成功操控一个单个离子并开展相关量子模拟研究工作。据计划，在未来五年内清华大学将展示单个离子与15至20个相连离子之间的相干操作，并演示相应的量子算法。这表明中国已成功地参与并加入到国际离子阱量子计算的竞争行列。
二、原子量子计算
除了以离子为基础的方法之外，在早期量子计算的发展中还有一种方法采用了直接通过原子进行操作的方式。与离子不同的是，在这种方法中由于库伦相互作用的存在使得相邻的原子无法过于靠近从而导致干扰问题得以避免。这种特性使得通过磁场或光场技术能够实现对原子的四禁操作其中光场技术不仅能够构建一维二维或三维的原子阵列并且如图所示展示了其应用实例。
利用边带冷却技术使原子达到基态随后又可借助激光对比特操作以实现在这种情形下的位移ubit读取过程与离子阱方法具有相似性因为缺乏库伦相互作用要想在原子中实施两位同时操作需要将它们激发至里德堡态从而使原子能量上升并使波函数展宽从而得以借助里德堡阻塞机制完成两位操作即便如此到目前为止关于原子量子ubit的研究仍未能突破两位同时纠缠的保真度瓶颈其保真度仅有75%远低于离子阱和超导位移ubit技术水准然而2016年一篇论文通过理论计算展示了经过波形修饰后两个原子量子ubit之间的纠缠保真度达到了惊人的99.99%
除了传统地运用量子逻辑门来进行量子计算之外，在这种新方法中，则是通过对不同拓扑结构下的 quantum entanglement states 进行测量来实现 quantum computation. 这两种方案在解决的问题范畴上具有同等的有效性. 在这一领域方面, 中国科学技术大学 PANJIANWEI 研究组已取得了一系列突破性进展: 2016 年他们成功实现了近 600 对 quantum bits 的 entanglement, 其 fidelity 达到了大约 79%. 按照后续规划, 将基于 pair-wise 的 quantum bits 的 entanglement 来实现 hundreds of quantum bits 的集体 entanglement, 并将以此为基础开展 measurement-based quantum computation.
基于原子的量子模拟可能相较于量子计算更受科研界关注。在光晶格中加载的冷原子可探究强关联多体系统中的多种物理现象,如玻色子从超流态向Mott绝缘体转变的过程,费米子遵循Fermi-Hubbard模型的行为,以及经典磁性(包括铁磁性、反铁磁性和自旋阻控等现象)等,还包括拓扑结构、自旋依赖型能带结构以及BCS-BEC交叉等问题。当前的研究重点主要集中在量子磁性问题、非平衡演化问题以及无序系统方面的探索。在基于原子的量子模拟领域,哈佛大学Lukin团队成功模拟了包含51个原子在内的多体相互作用动态相变过程。我国于2016年由中国科学技术大学潘建伟领导的研究团队完成了玻色-爱因斯坦凝聚态二维自旋-轨道耦合状态的数值模拟工作
三、核自旋量子计算
1997年, 斯坦福大学的Chuang团队开创性地开发了基于核磁共振（NMR）技术的量子计算实验, 该领域的研究随后取得了长足的发展。随后, 在核自旋量子计算领域取得了长足的发展。这些关键算法如Grover搜索和七比特Shor算法成功地应用于核自旋量子计算。经过长时间的研究与实践, 在单比特与两比特保真度方面已分别取得突破性进展
这种方法通常依赖于液体中分子核自旋的特性来进行实验研究。考虑到分子内部电子之间的复杂排斥关系，在此过程中不同类型的核自旋会产生各自独特的共振频率，并因此能够独立地被操控。此外，在这种系统中不同类型的核自旋虽然不会直接接触但可以通过中间介导的方式引发彼此之间的相互影响从而实现两比特操作。下图展示了一种典型的用于此类量子计算设备的分子模型其中有两个碳-13标记的碳原子周围环绕着五个氟原子这些元素共同构成了一个包含七个虚拟位点（qubits）的独特系统每个虚拟位点分别对应特定的基波频率以及调控时间和相互作用能量参数。
不过这种量子计算模式受限于分子结构, 无法无限扩展; 而且是基于多分子协同效应的操作, 初化过程较为复杂, 这一方向仍需进一步探索和完善. 国内在此领域的主要研究力量来自清华大学的龙桂鲁课题组, 2017年, 该课题组成功实现了核自旋量子计算与云端资源的无缝对接, 向公众提供了一款性能优越的服务, 这款服务整合了四个量子比特, 并保证了单比特纠错率达到98%以上.
四、拓扑量子计算
拓扑量子计算以其显著抵抗力著称，在其运行过程中利用了非阿贝尔任意体这一独特现象。首先需要在一个特定系统中制造出一系列任意体与反任意体，在这些粒子的各种融合方式中设定不同的状态基础。接着通过编织这些任意体的方式来进行量子操作，在完成所有操作后进行测量以确定最终状态。整个过程对于外界干扰和退相干具有极强的抗性，并且因为其依赖于难以产生并影响系统的机制而得以实现高保真度运算。
目前国际上专门从事拓扑量子计算研究的主要研究团队包括荷兰代尔夫特理工大学的Kouwenhoven研究组以及丹麦哥本哈根大学的Marcus研究组。这些研究团队通过特定途径获得任意子的方式即为产生马约拉纳费米子的方法：当s波超导体与一条具有强烈自旋-轨道耦合效应的半导体纳米线相结合时，在其两端就能生成马约拉纳费米子。在此基础上，实验中能够观察到马约拉纳费米子所引起的电导尖峰现象；此外若这些纳米线能够成功在外延生长形成阵列，则可实现单比特运算功能。自2012年以来，在半导体-超导体异质结中首次观测到马约拉纳零模特征后至2018年观察到量子化的电导平台现象期间,Kouwenhoven研究组已经得到了大多数科学界的认可,认为能够在该体系中制备出马约拉纳费米子；值得注意的是,基于不同半导体材料组合构建的Al-InSb与Al-InP两种类型的半导体-超导体耦合纳米线阵列已在实验中先后实现了相关功能的发展。展望未来,相关团队计划开展编织实验以期实现全球首个拓扑量子比特。
除了通过半导体-超导体异质结这一手段外，在量子体系中还存在多种获取马约拉纳费米子的方式。这些包括但不限于量子霍尔效应及其分数量子霍尔效应的表现形式，在二维系统中则有无自旋超导体的支持；此外，在带有铁磁原子链的超导体系中也可以观察到相关特征。近期研究发现在特定条件下形成的量子反常霍尔绝缘体与超导结构相结合时会激发一维马约拉纳模式，并且这种模式被认为具备一定的潜在应用价值——特别是在拓扑量子计算领域。然而基于马约拉纳费米子的这种拓扑量子计算仍无法满足单比特任意旋转的需求；尽管如此它仍需要依赖于与其他形式的量子比特进行互补或者通过某种近似操作来完成复杂的量子信息处理任务；但对高质量 quantum bit 的追求仍然是推动科学研究的核心动力之一
不同于其他主要企业集团,微软公司将其资源投入到拓扑量子计算领域,认为当前量子比特受到过较大的干扰.为了提高可靠性,开发出一种具有更高可靠性的量子比特将有助于扩大其应用范围.该机构与荷兰代尔夫特理工大学、丹麦哥本哈根大学、瑞士苏黎世理工大学、美国加州大学圣芭芭拉分校、普渡大学以及马里兰大学等世界顶尖高校建立了全面合作关系,共同目标是最快在三年内实现这一突破.2017年12月1日,中国科学院正式设立拓扑量子计算卓越创新中心,该中心由国科大卡弗里理论科学研究所所长张富春担任负责人.未来几年将是拓扑量子计算发展最为迅猛的阶段.
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