前段時間，量子計算機確實在朋友圈火了起來。這主要得益於中國科學技術大學陸朝陽教授和潘建偉教授領導的科學團隊研發10位超導量子計算機的重要成果。競相在重大新聞中播出後，現在不僅“家喻戶曉”，還讓我國成為量子領域的國際領先者。那麼，量子計算機到底是什麼樣子的呢？
簡單來說，量子計算機就是一種計算速度非常快的計算機。如果將現代計算機比作自行車，那麼量子計算機就像飛機。但我們現在無法想象它是什麼樣子，就像晶體管和電子管時代的人們無法想象超大規模集成電路計算機是什麼樣子一樣。誰能想到，智能手機芯片竟然“徹底炸毀”了早期占地數千平方米的計算機！
廢話不多說，今天我就給大家展示一下現在的量子計算機是什麼樣子的。目前處於早期階段的量子計算機並不好看。就像早期的計算機一樣，它們的“身體”分散在整個實驗室中。但說到關鍵部分，也就是量子計算機的“心髒”，那就是“高端”了。與當今計算機的CPU不同，量子計算機的核心部分是參與運算的量子位，通常是相幹光子或離子。產生這些相幹光子或離子的方法通常包括超導環和離子陷阱。其中，超導環在擴展多量子位方麵仍然存在一些困難，因此離子陷阱成為目前更有利的方法。無論是超導環還是離子阱，這些器件的穩定運行都需要極其惡劣的外部條件，即超高真空和極低溫度，這意味著它們必須被冷凍在真空“冰箱”中。 ……
先進的微加工離子阱。 LEFT: 來自桑迪亞國家實驗室的高光通路(HOA) 陷阱（圖片由杜克大學提供）。 RIGHT: GTRI/霍尼韋爾的球柵陣列(BGA) 陷阱（圖片由霍尼韋爾提供）。
上圖中的裝置是典型的芯片式離子阱。用於生成量子位的原子在芯片中心被激發，並受到電磁場和庫侖相互作用的束縛。下圖為蒙大拿超精細光學恒溫器，為芯片提供超高真空和超低溫環境。該恒溫器具有超低溫（3K）和超高真空的特性，並提供多個自由光通道和光通道以及多達100條電引線。它是量子計算機的“心髒”。 （作為離子阱的標準裝置，圖片來自Christopher Monroe在《自然》雜誌《量子信息》雜誌上發表的評論文章）。說完“心”的樣子，這個心有什麼能力呢？使用傳統的離子阱量子計算機解決方案可以實現多少位？估計有50個！不要低估這個數字。如果能夠充分利用，Coherence就是250個數據量，信息處理速度可以達到GHz。改進後的新型離子阱預計將達到1000量子比特以上，計算能力和信息量也將大幅提升，這將為未來計算機帶來翻天覆地的變化。
用於捕獲離子的緊湊型低溫UHV 外殼。 (a) 封裝上的真空外殼，密封在特高壓環境中，包含離子阱、吸氣泵和原子源。 (b) 在緊湊型低溫恒溫器中安裝和冷卻後，建立了特高壓環境。 (c) 光學元件可以布置在低溫恒溫器周圍的緊湊體積中以支持離子阱操作。
最後，祝賀量子設計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，祝願祖國的科學研究再上新台階。
相關參考：共同設計具有捕獲原子離子的可擴展量子計算機。 npj量子信息(2016) 2, 16034
