普林斯顿大学 离子q的俘获离子系统
学分:杜克大学
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edu/ 量子计算机有望推动几个领域的重要进展，包括医学、材料科学和互联网安全
虽然目前的质量控制系统很小，但一些行业和学术机构正在努力构建拥有数百个量子位的大型系统
为此，普林斯顿大学的计算机科学家和杜克大学的物理学家合作开发了设计下一代量子计算机的方法
他们的研究集中在使用捕获离子技术构建的质量控制系统上，这是当前领先的质量控制硬件技术之一
通过将计算机架构技术和设备模拟结合在一起，该团队表明，将近期硬件与应用程序联合设计，有可能将钛系统的可靠性提高多达四个数量级
他们的研究是量子协同设计软件定制架构(STAQ)项目的一部分，该项目是美国国家科学基金会资助的合作研究项目，旨在建造一台俘获离子量子计算机，同时也是美国国家科学基金会计算机科学与工程科学委员会计算支持实际规模量子计算考察项目的一部分
它最近在2020年美国计算机学会/美国电气和电子工程师协会计算机体系结构国际研讨会上发表
走向更大的俘获离子量子计算机 俘获离子是构建量子比特的主要候选之一
在钛系统中，原子离子量子位(如钙或镱离子)被隔离并被捕获在电场中
为了存储量子信息，离子的内部原子状态被用来表示0和1量子位状态
通过使用仔细调谐的激光对离子进行脉冲调制，这些系统可以对这些信息执行门控(指令)，从而导致比标准“经典”计算机运行速度更快的计算
像IonQ、霍尼韦尔和阿尔卑斯量子技术这样的公司，以及像我们在杜克大学这样的学术团体，正在努力使用这样的硬件来构建质量控制系统
已发表的单离子链的结果包括在离子量子阱中对11个量子比特的完全控制和在马里兰大学对53个量子比特的量子模拟
虽然目前的量子信息设备已经显示出了巨大的潜力，但要证明其优于经典计算，需要50到100个量子位的更大的设备
然而，大多数目前的钛器件有一个基本的缩放瓶颈——它们是基于单片单阱结构，其中所有的离子都在同一个俘获区
在这种结构中，随着更多的离子被添加到阱中，量子位控制和门实现变得越来越具有挑战性
认识到这些困难，早在2002年就提出了一种替代的可扩展结构，称为量子电荷耦合器件(QCCD)
QCCD系统由一组阱组成，每个阱容纳少量离子，而不是一个大阱
类似于单阱结构，可以对位于阱内的一个或多个离子进行门控
为了实现陷阱间的纠缠，QCCD利用离子穿梭在整个系统中传递离子
也就是说，当对处于不同阱中的一对离子执行两个量子位操作时，一个离子被物理地移动到另一个阱，在执行门之前共同定位离子
在过去的二十年里，建造这些系统所需的所有操作都得到了发展和完善
最近，霍尼韦尔集成了这些组件来构建第一个具有4个量子位的QCCD系统
构建下一代QCCD系统 为了建造具有50到100个量子位的下一代QCCD系统，硬件设计师必须解决各种相互冲突的设计选择
“我们应该在每个陷阱中放置多少个离子？哪些通信拓扑适合近期的质量控制应用？在硬件上实现闸门和梭动操作的最好方法是什么？普林斯顿大学的研究生普拉卡什·穆拉利说:“这些是我们的工作试图回答的关键设计问题。”
尽管已经进行了个别实验来理解这些选择中的一些，但是没有研究这些选择对应用程序及其整体系统级性能和可靠性权衡的影响
此外，硬件设计人员必须应对不可靠的门和近期系统的其他限制，同时还要支持量子应用的不断发展
为了有效地研究这些设计选择，研究人员建立了一个设计工具流程，该流程估计了特定QCCD设备上一组量子程序的可靠性、执行时间和其他指标
该工具流程由两部分组成
第一部分是一个编译器，它将程序映射到QCCD系统上可用的原始操作
由于穿梭操作容易出错且耗时，编译器试图通过最小化穿梭操作的总量来提高应用程序的整体可靠性和性能
第二部分是一个QCCD模拟器，它使用QCCD系统的真实性能和噪声模型，从硬件特性工作中得出，以估计应用程序执行的质量
穆拉利说:“这些组件使我们能够自动表征大的设计空间，并测试设备架构对应用的影响。”
使用这种工具流程，他们确定了每个阱中15到25个离子的最佳位置，这可能适用于各种应用，在高阱尺寸下的栅极误差和低阱尺寸下的穿梭误差之间提供了最佳折衷
总体而言，他们表明，调整系统的架构属性，如阱中的离子数量和拓扑结构，可以对应用程序执行的可靠性产生多达三个数量级的影响
此外，优化低级门实现和穿梭方法可以将可靠性进一步提高另一个数量级
杜克大学的研究生、研究员德里普托·德罗伊说:“通过了解这些不同的选择相互作用的方式，我们的工作使QCCD系统能够在量子计算机大到足以变得真正可靠之前，在短期内进行有用的计算。”
计算机体系结构和基于模拟的设计一直是经典计算技术进步的关键因素
通过利用这些技术进行质量控制设计，并采用设计空间的完整系统视图，而不是只关注硬件，这项研究寻求加速50到100个量子位的下一个重要里程碑的进展
目前，两个最有希望放大到1000个离子的想法是大QCCD系统和小QCCD系统之间的光子互连
近期QCCD器件的架构研究有可能为未来两个方向的质量控制硬件设计提供指导
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