量子計算機前段時間著實在朋友圈火了一把，這主要得益于中國科學技術(shù)大學陸朝陽教授和潘建偉教授領導的科學團隊研發(fā)出10個比特的超導量子計算機的重要成果。經(jīng)過各大新聞的爭相播報，它現(xiàn)在不僅是“人盡皆知”，更讓我國在量子領域步入國際領先行列。那么，量子計算機究竟是什么樣的呢?　　

　　簡單來說量子計算機是一個計算速度非常快的計算機，如果將現(xiàn)代的計算機比做自行車，那量子計算機就是飛機。但是對于它的長相，我們現(xiàn)在無法想象，就好比處在晶體管和電子管時代的人不能想象出超大規(guī)模集成電路的計算機長什么樣。誰曾想過智能手機芯片已經(jīng)“完爆”了占地上千平方米的初期計算機呢!

　　話不多說，今天就帶你看看現(xiàn)在的量子計算機長啥樣。目前初級階段的量子計算機還真說不上高顏值，跟早期計算機一樣，它的“身軀”遍布在實驗室的各處。但是談到關鍵部分，也就是量子計算機的“心臟”，那可就是“高大上”了。與現(xiàn)在計算機的CPU不同，量子計算機的核心部分是參與運算的量子比特，通常來說是相干光子或離子。產(chǎn)生這些相干光子或離子的方法通常有超導環(huán)和離子阱兩種方法。其中超導環(huán)在多量子比特拓展方面還有一些困難，從而離子阱成為目前較為優(yōu)勢的手段。而無論是超導環(huán)還是離子阱，這些器件的穩(wěn)定運行都需要極端苛刻的外界條件，那就是超高真空和極低溫，也就是說他們要凍在抽真空的“冰箱”里......　　

　　Advanced microfabricated ion traps. LEFT: High-optical access (HOA) trap from Sandia National Laboratories (Image courtesy of Duke University). RIGHT: Ball-grid array (BGA) trap from GTRI/Honeywell (Image courtesy of Honeywell).

　　上圖中的器件就是典型的芯片式離子阱，用于產(chǎn)生量子比特的原子就在該芯片的中心位置被激發(fā)并被電磁場和庫倫相互作用所束縛。而下圖是為芯片提供超高真空和超低溫環(huán)境的Montana超精細光學恒溫器。該恒溫器具有超低溫(3K)、超高真空的特點，并且提供多路自由光學通道和光線通道以及最多可達100根電學引線，是量子計算機的“心臟”所在。(做為離子阱的標準裝置，圖片來源于Christopher Monroe發(fā)表在《Nature》旗下《量子信息》雜志上的綜述文章)。說完“心臟”的外觀，那這個心臟的能力如何呢?采用傳統(tǒng)離子阱式的量子計算機方案能做到多少比特呢?預計是50個!不要小看這個數(shù)字哦，如果能夠完全利用它們的相干性，那就是250個數(shù)據(jù)量，并且信息處理速度可以達到GHz。經(jīng)過改進的新型離子阱預計可以達到1000個量子比特甚至更多，計算能力和信息量也會大大增加，這會給以后的計算機帶來天翻地覆的變化?！?/p>

　　Compact cryogenic UHV enclosure for trapped ions. (a) On-package vacuum enclosure, sealed in a UHV environment, that contains the ion trap, getter pumps and the atomic source. (b) Upon installation and cooling in a compact cryostat, the UHV environment is established. (c) The optical components can be arranged in a compact volume around the cryostat to support the ion trap operation.

　　最后再次祝賀Quantum Design的用戶陸朝陽教授和潘建偉教授在量子計算機領域取得的驚人成就，希望祖國科研再上新臺階。

　　相關參考文獻：Co-designing a scalable quantum computer with trapped atomic ions. npj Quantum Information (2016) 2, 16034