大数据最新量子计算（十六）：其他类型体系的量子计算体系_量子计算分类(1)，2024年最新字节跳动超高难度三面大数据开发程序员面经
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关于两比特操作速度的问题成为制约离子附体量子计算发展的关键瓶颈，在现有技术条件下即使当前先进的两比特门技术也只能达到100纳秒的操作时长，在这个基础上相比之下超导量子比特与半导体量子比特各自约200纳秒的最佳水平显得相对落后。值得注意的是在2018年牛津大学的研究团队通过优化了激光脉冲调控方案实现了将操作时长缩短至48纳秒的突破性进展展示了离子附体量子计算领域的重要进展
于2015年成立的离子型（IonQ）量子计算公司是由马里兰大学与杜克大学共同创立的。在2017年7月期间获得了约两百万美元的资金支持，并定于在2018年前将该公司的量子计算机推向市场。这也是继超导型商业量子计算机之后推出的第二个面向公众商用的量子计算体系。
近年来国内在离子附量子计算领域取得了显著进展。相关团队已成功操控单个离子，并进行了初步量子模拟研究。清华大学计划未来五年内展示单个离子与最多20个相邻离子之间的相干操作，并演示相应的量子算法。这表明我国已积极融入国际离子阱型量子计算机的研发竞争。
二、原子量子计算
早期方法中也包含直接通过原子实现量子计算的方式。与离子不同的是，原子本身不带电荷，在彼此之间也没有库伦相互作用力的作用。因此可以非常紧密地连在一起而不相互影响。另外一种操控方式是通过施加磁场或者光场来控制它们，在这种情况下可以用光场来构建一维、二维甚至三维的原子阵列（如图所示）。
通过辅助能级冷却的方式将原子降温至基态后，在利用激光辅助读出时同样可采用类似离子阱的方法操作比特。由于缺乏库仑相互作用机制，在原子系统中双比特操控面临较大挑战：操作者必须将目标原子激发至里德堡态从而激活其扩展波函数特征进而实现调控。值得注意的是即便当前实验数据显示单个量子位之间建立两位纠缠状态的保真度仅有75%仍远低于离子阱与超导位目前的技术水平但2016年一篇重要论文通过理论分析表明经过精心设计波形处理后的两个相邻原子量子位之间的纠缠保真度可提升至惊人的99.99%
除了传统量子计算方式外，在测量不同拓扑结构中获得高质量纠缠体的方法也被视为有效途径。这些方法在适用范围上具有同等效果。潘建伟团队取得了显著的研究成果，在2016年实现了600对高质量纠缠光子，在保真度方面达到79%左右。根据最新规划，在后续研究中将基于成对纠缠光子展开更大规模系统实验，并将重点探索基于测量的新型量子计算方法。
基于原子的量子模拟可能比量子计算更受科研界关注。在光晶格中的原子研究中涉及大量强关联多体系统的物理问题探讨与分析工作。具体而言这些研究涵盖了玻色子从超流态向Mott绝缘体转变的过程经典磁性状态包括铁磁性、反铁磁性和自旋阻控效应以及拓扑结构及其自旋依赖的能带特征等问题研究还包括费米子的Fermi-Hubbard模型B CS-BEC交叉问题等前沿科学领域。当前的研究重点主要集中在量子磁性现象非平衡演化动态过程以及无序系统的行为特征等方面。值得注意的是基于原子平台的研究已在2017年哈佛大学Lukin团队发表过相关成果其中利用51个原子成功模拟了多体相互作用下的动态相变现象而我国于2016年通过中国科学技术大学潘建伟团队完成了玻色-爱因斯坦凝聚态中二维自旋-轨道耦合效应的研究这一突破为探索新奇量子相提供了重要理论依据
三、核自旋量子计算
1997年, 斯坦福大学的研究团队由Chuang等学者开创性地提出了利用核磁共振技术进行量子计算的实验方案, 随后随着核自旋量子计算技术的不断发展, Grover搜索算法与七比特Shor算法等关键算法先后在这一领域取得突破性进展, 并成功地在相应的量子系统中实现. 到目前为止, 该系统的单比特保真度已达到99.97%, 两比特保真度则达到了99.5%.
这种方法主要依赖于液体中分子的核自旋特性来进行实验操作。由于分子内部电子之间存在的复杂排斥力关系，在此基础之上形成了各自独特的核自旋共振频率，并且能够单独被调控；此外，在不同核自旋之间还存在通过电子间间接的作用机制实现的操作关联性。在实际应用中（如图所示），一种典型的用于核磁共振实验的分子结构包含两个13C标记碳原子和五个19F原子作为外围基团，在这样的七原子体系中包含了七个独立的信息编码单元（即七个比特），每个单元对应着特定的比特频率、持续时间和相互作用能量特征。
不过这种量子计算方式受限于分子结构导致可扩展性不足；而且由于需利用多个分子协同作用来进行调控因此初始化过程较为复杂仍存在诸多技术瓶颈亟待突破
四、拓扑量子计算
拓扑量子计算被认为是一种具有极强抗噪声能力的独特形式，在这种体系中所利用的是被称为非阿贝尔任意子的一类准粒子。为了执行一个完整的量子计算所需的过程，则必须完成以下步骤：首先需要在一个系统中生成一系列特定类型的任意子与反任意子；然后将这些任意子的各种融合方式作为构成一个量子比特的不同状态；接着通过编织这些任意子的方式来进行相应的操作；最后通过观察这些任意子融合后的状态来确定最终的结果。整个操作流程对于外界干扰具有极强的抗性，在实际应用中这种情况极为罕见——这意味着这种技术相较于其他潜在影响较大的干扰源而言其敏感度非常低
目前国际上从事拓扑量子计算研究的主要实验团队包括荷兰代尔夫特理工大学的Kouwenhoven团队以及丹麦哥本哈根大学的Marcus团队等。这些研究小组通过在s波超导体与半导体纳米线耦合系统中实现马约拉纳零模的研究，在纳米线两端成功诱导出马约拉纳费米子，并成功地观测到了马约拉纳零模所带来的电导尖峰效应；当纳米线能够良好地扩展成阵列时，则可以在这种体系中实现相应的比特运算功能。自2012年首次在半导体-超导体异质结中发现马约拉纳零模特征以来，在随后的时间里科学家们已成功地观察到了量子化电导平台现象；Kouwenhoven团队的研究工作已经得到了大多数同行的认可，并且基于此两种不同半导体材料（Al-InSb和Al-InP）所组成的纳米线耦合体系也已在实验中先后实现了拓扑量子计算能力；下一步尝试编织相关电路实现世界首个拓扑量子比特。
除了半导体-超导体异质结这一手段外,其他获得的方式还包括多种途径,例如: 量子霍尔效应、分数量子霍尔效应、二维无自旋超导体以及超导体表面附着的铁磁原子链等多种物理机制。值得注意的是,最近研究发现,在量子反常霍尔绝缘体与超导体相结合的结构中观察到了一维马约拉纳模式,并认为这种模式对于实现拓扑量子计算具有潜在的应用价值。然而基于马约拉纳费米子构建的拓扑量子计算系统仍存在无法实现单比特任意旋转的问题,并且通常需要依赖其他类型的量子比特协同工作或者借助特定的方法来进行近似的量子操作。对高质量 quantum bit 的研究仍然是推动科学家探索与开发新型 topological quantum bit 的重要动力
不同于其他美国主要企业, 微软公司将其重点放在拓扑量子计算领域, 认为目前面临的主要挑战仍是现有量子比特易受外界干扰的问题. 为此, 微软公司致力于研发更高保真度的新型量子比特, 目标是通过这一创新技术提升整体计算性能. 该公司的研究团队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展开了全面合作. 通过实验和技术研究, 公司希望在未来五年内研制出首个实用型拓扑量子比特, 这种设计具有长达一秒钟的纠错能力. 在全球范围内, 中国也在积极推动这一前沿技术的发展. 2017年12月1日, 国科学院正式启动了拓扑量子计算卓越创新中心的建设工作, 中科院大学卡弗里理论科学研究所所长张富春教授担任该中心负责人. 据预测, 在未来几年内, 中国的拓扑量子计算研究将处于快速发展阶段.
从目前量子计算的发展脉络来看，各种体系有先有后，有的量子计算方式现在已经让其他方式望尘莫及；有的量子计算方式还有关键技术或待突破；也有的量子计算方式正在萌芽之中。就像群雄逐鹿中原，鹿死谁手，尚未可知。有观点认为，未来量子计算机的实现可能是多种途径混合的，比如利用半导体量子比特的长相干时间做量子存储超导量子比特的高保真操控和快速读出做计算等等；也有观点认为，根据不同的量子计算用途，可能使用不同的量子计算方法，就像CPU更适合任务多而数据少的日常处理而GPU更适合图像处理这种单一任务但数据量大的处理。无论未来的量子计算发展情况，如何，中国在各个量子计算方式上都进行了跟随式研究，这是我国现有的技术发展水平和国家实力的体现。随着国家对相关科研的进一步投入，相信未来在量子计算的实现方面，也可以领先于世界其他国家，实现弯道超车。
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