大厂放弃的离子阱，成就了初创量子计算公司

实现量子计算的路线有很多种，目前主流的主要是超导量子计算和离子阱量子计算，因为以上两者在系统指标上最好、技术成熟度也最高，至少在短期内有希望投入商业使用中。除了这两种之外还有中性原子、半导体和光电等方案。而离子阱技术相对“人造原子”的超导量子比特来说，相干时间最长，而且在逻辑门运算的保真度上可以做到很高，这对于目前追求计算准确性的量子计算机来说是至关重要的。
 
离子阱技术的原理就是利用电磁场将离子限制在自由空间中，量子比特就存储在每个离子的稳定电子状态中，并通过离子间的集体量子化运动来共享量子信息。从量子处理单元的开发商来看，比较大的几家都选择了超导的方案，连亚马逊、谷歌与阿里巴巴也都义无反顾地选择开发超导量子计算机。而反观离子阱这边，混得最好的也只有上市的IonQ，此次我们从几家选择了离子阱方案的厂商出发，来一窥这条路线是否真的值得探索。
 
Quantinuum
 
2021年，剑桥量子公司与霍尼韦尔的量子解决方案部门合并，成立了全新的独立公司Quantinuum开发离子阱量子计算机。虽然是独立的公司，霍尼韦尔依然是最大的股东，占了50%以上的股份，并由霍尼韦尔自己的晶圆厂来制造离子阱。此前霍尼韦尔自己于2020年推出的10量子比特量子计算机H1-1，也归Quantinuum所有。合并的同年，Quantinuum发布了配置一样的第二代H1量子计算机H1-2，并对该系列量子计算机进行了升级，可使用12个量子位的操作。
 
近日，Quantinuum对H1-1再度进行了升级，完全互联的量子位从12个提升至20个，可照做的门区也从3个提升至5个，使得H1-1能够同时完成更多的量子操作，并进一步提高了电路执行中的并行化。Quantinuum表示，今年年末，他们也将对H1-2进行同样的升级。
 

Quantinuum H1-1的云开发定价 / Azure
 

对于远程进行量子计算开发的用户，Quantinuum也方便地给到了云方案，用户可以通过微软的Azure，建立量子工作区来订阅Quantinuum的H1-1系统的使用。不过这个开发价格确实不是普通个人用户能够承担的，因为即便是基础订阅，用户也要缴纳12.5万美元每月/的费用，高级订阅每月要花17.5万美元，还只能排队和按额度使用。可考虑到现有的量子计算机数量极其有限，有如此高的定价也很正常。
 
在Quantinuum的开发路线图中，他们计划将H系列的量子位每5年增加一个数量级，离子阱的架构也将从H1的线性架构，慢慢演化为H2的跑道架构再到H3的网状架构，并在H4中集成光电器件，最后在H5上实现大规模离子阱量子计算系统。
 
可以看出，至少在增加量子比特位数上，Quantinuum已经有了很清晰的路线，不过H1定下的目标是做到40量子比特，在实现这个目标前，我们还不好判断离子阱在扩展上是否瓶颈已经开始显现。
 
Oxford Ionics
 
另一个选择了离子阱方案的公司是由牛津大学2019年孵化出的Oxford Ionics（牛津离子）公司，他们的愿景是将量子计算从实验室研究阶段进化到实际的产业解决方案。不过迄今为止，除了已经融资近千万美元外，这家量子计算公司并没有任何实质的产品公布。
 
而近日半导体厂商英飞凌发布了一则新闻，称其将与Oxford Ionics合作，一同开发高性能的离子阱量子处理器。这对于Oxford Ionics可以说有了生产制造上的支持，毕竟考虑到上面的Quantinuum，打造离子阱处理器也只是用到了霍尼韦尔150nm的工艺，而反观英飞凌在工艺上的先进程度要更高一些，其量子处理器的生产制造也主要在奥地利的晶圆厂，可以处理6英寸/12英寸的晶圆。
 

英飞凌为Oxford Ionics生产的离子阱晶圆 / Oxford Ionics

 
更重要的是，英飞凌已经有了现成的离子阱扩展技术方案，比如低温电子元件。上文简要说明离子阱原理时，我们提到了是利用电磁场来固定离子的，而在进一步增加量子比特数时，需要用到更多的电极来捕捉和移动离子，所以生成电压的位置要尽可能地接近离子阱，同时要能精确控制电极，这就需要集成DAC等器件来完成控制，但它们与这些离子一样，得处于10K左右的极低温下才能控制噪声，而如何保证这些元件的正常工作才是提高量子比特数的瓶颈所在。
 
根据Oxford Ionics公开的一些信息来看，他们实现量子计算的思路是利用12英寸的晶圆制造数百万个5mmx5mm的量子位芯片，再打造成一个高集成度的量子处理单元。第一批设备预计将于今年推出云开发，但真正的高性能设备以及计算集群则计划2年之后推出。
 
结语
 
从量子计算的赛道来看，无论哪种方案都代表了这家公司的技术储备和业务方向所在，比如像亚马逊、谷歌和阿里巴巴就选择了超导，利用参数灵活度更高的超导量子比特来完成量子计算。而Oxford Ionics等初创公司则选择了物理布线工艺难度更小、量子比特制备更容易的离子阱，这样更容易快速开展业务。
 
现在敲定哪种技术能够成为最后赢家还言之尚早，就连上文提到的英飞凌，其实也在其他量子计算路线上有所布局。况且就连与量子计算相关的光电器件、量子算法和IDE都在摸索阶段，无论哪种方案都在朝着更多量子比特数的方向发展，当量子计算机纷纷量产普及并逼近千比特，届时再来华山论剑也不迟。