1.新闻

2020年6月，科技制造企业霍尼韦尔（Honeywell）发布第一台离子阱量子计算机H0，它拥有64量子体积，它是IBM和谷歌同时期量子计算机的两倍。公司表示之所以能取得这一成就缘于他们2015年在一篇科学论文中展示的量子电荷耦合器件（QCCD）结构突破性进展，用电磁场以一种允许激光脉冲操纵和编码的方式控制（陷阱）每个离子。
2020 年 8 月启科量子（亚洲首家以离子阱量子计算为核心的量子信息技术公司）正式启动了“天算 1 号” 离子阱量子计算机项目，该项目预计在2-3年内完成，技术指标可达到100个可操控量子比特以上。2021 年启科量子推出了中国第一台离子阱量子计算机工程机AbaQ-1AbaQ 1 离子阱量子计算和Traq-T1量子教学机。
2020年10月，IonQ公司宣布开发出“世界上功能最强大”的离子阱量子计算机，该计算机搭载32个低量子门的“完美”量子比特，量子体积达400万。IonQ公司还称该量子计算机允许高效的软件编写，并能实现系统扩展。
2021年3月，霍尼韦尔H1型量子计算机系统实现了 512 量子体积，成为当时量子体积最大的商用离子阱量子计算机。Quantinuum（霍尼韦尔旗下量子计算公司）在其离子阱硬件组下对H1-1进行了多次升级，在2021 年7月实现1024 量子体积。在同一时期，Quantinuum悄悄地向客户和合作者发布其第二代H1量子计算机，称为H1-2。系统模型H1-2使用与H1-1相同的离子阱架构、控制系统设计和集成光学器件。

2022年8月，全球首家离子阱量子计算上市公司IonQ宣布，推出具有23个算法量子比特的 IonQ Aria系统，用户可通过Azure Quantum平台进行访问。这是继 2019 年推出 IonQ Harmony 之后，在Azure Quantum 平台推出的第二个量子系统。IonQ公司表示IonQ Aria 是目前世界上公开披露的最好的量子计算机。

2.离子阱技术

离子阱(Ion trap)又称离子陷阱，是一种利用电场或磁场将离子（即带电原子或分子）俘获和囚禁在一定范围内的装置。在真空中实现离子囚禁，离子与装置表面不接触，应用最多的离子阱有“保罗阱”。该技术由沃尔夫冈-保罗等人提出，并于上世纪80年代获得诺贝尔奖。主要原理是通过空间中的交变电场把带电离子（可以是宏观粒子）束缚在空间中的特定区域，交变电场可以形成一个类似于旋转的马鞍面的结构，在马鞍形状和旋转速度足够高的时候，就可以稳定的束缚离子。
离子阱技术可以应用于量子计算机，量子计算机以粒子的量子力学状态，如原子的自旋方向等表示0和1，称为“量子比特”。离子陷阱是目前实现量子比特的最佳手段之一，其做法是利用电极产生电场，把经过超冷处理的离子“囚禁”在电场里。人们通常要把电极搭建成立体的笼状结构，才能成功地捕获并囚禁离子。美国国家标准与技术研究所的专家利用现有的电子工业技术，制造出一种平面结构的离子陷阱，使得可以很容易的扩展离子陷阱的制造规模。

3. 离子阱量子计算机的组成

离子阱量子计算机通常由以下部分组成：量子计算环境支撑系统、量子计算测控系统、量子计算软件系统、量子芯片系统。
量子计算测控系统是量子计算机的控制系统，用于实现对量子芯片运行的控制，并读取量子计算结果。
量子计算环境支撑系统包括离子泵系统、磁场控制系统、温度压力控制系统、真空系统等为量子计算机的工作提供稳定的运行环境。
量子计算软件系统是量子计算机提供量子计算软件体系根本性框架，具备量子编程、多量子计算、量子资源管理等功能。
量子芯片系统是基于离子阱量子芯片的系统，它是量子计算机核心单元，由它执行量子计算，量子芯片是量子计算机的“灵魂”。
离子阱量子计算机的运行基本过程如下：
1、在原子炉中，加热的原子外层电子被电离后形成离子。
2、真空腔中的离子阱芯片，产生的交变的射频电磁场将离子囚禁成离子链。
3、被冷却光冷却的离子与自离子阱集成芯片出射的操控光相互作用达到特定的量子态。
4、通过对量子态的操控实现量子计算，量子测控系统读取运行结果。
离子阱计算机的量子芯片系统结构三维图和离子阱芯片的安装位置如下图：

离子阱量子计算机的离子阱和测量系统示意图如下：

4.离子阱芯片

离子阱芯片通常由电极引脚，射频电极和直流电极组成。射频电极和直流电极构成离子陷阱，离子阱是一个两层结构。射频电极是一个不分段的电极和直流电极分为多个节段，射频电极和直流电极的设计模型是按比例缩小的保罗滤波器，射频电极和直流电极之间为量子区间。

离子阱芯片由三层组成:底层(I)，间隔层(Il)和顶层(IlI)，如下图a所示；纤维腔(灰色)被电极层(红色，绿色)夹住，如下图b所示。
离子阱芯片焊接到镀金印刷电路板上，靠近芯片处有SMD低通滤波器。外部接触垫将直流电极连接到离子阱芯片。RF电极是通过直接焊接到真空腔内的1毫米铜带上。在离子阱芯片的前面安装了两个用于产生溢出中性原子束的烘箱。
离子陷阱的组成
离子陷阱由两层电极构成，每一层都包含一个未分段的射频电极和一个分段直流电极，每一个分段的直流电极为独立可控。分段的直流电极分为：存储、传输和处理三个不同区域。离子陷阱的结构图如下：
两层的射频电极和直流电极相互平行，两个电极层尽可能对称，以实现良好平衡的电场。电极被长狭缝隔开，这个狭缝为量子区域，用于光学荧光检测和捕获的电极离子。

两个独立的电极层通过绝缘层分开，电极层需要确保与外部电场有关的离子屏蔽，这个绝缘层起到隔离层的作用。捕获的离子被限制在两个电极层。

离子陷阱电极

两层微芯片离子陷阱的几何模型如下图:

(a)分段直流电极(灰色)与单个未分段射频电极(黑色)位于不同的层上。在两个射频电极上施加rf电压用于径向约束，在每个直流电极上分别选择用于轴向约束的静态电压。
(b)两个电极层的厚度为t，间隔距离为s。捕获电极的长度为w, rf电极和分割的直流电极在每层上以间隙g隔开。
( c)直流电极段的长度为k，以间隙h隔开。线性陷阱对称轴后来表示为x方向或轴向。

这个相邻的指状电极具有200µm的恒定长度间距为30µm，射频电极条中与直流电极电极条相对的沟槽间隙提供了轴向场对称性，这些射频缺口的长度为60µm间距为30µm。下图是转换区和处理区电子显微图。

5.中国离子阱技术现状

在国内已经投入商用的离子阱量子计算机是AbaQ 1，它是启科量子自主研发的一款分布式离子阱量子计算机。 离子阱量子计算突出体现了分布式离子阱量子计算的特点。离子阱节点以中国鼓的形式呈现。所有的离子阱节点集成在一张九宫格上，中心格点作为光子连接交换的枢纽。整个设计以“九宫鼓”做为亮点。这种模块化的设计，每个节点捕捉20个完全链接的离子，平台可接驳最多8个计算节点。最多可达到一百多量子比特的链接。这样的设计既能保证单阱内的量子的高保真度，又能迅速扩展算力。
目前中国在离子阱计算机应用技术方面和美国不相上下，但是离子阱的基础研究方面还是比美国略差一些，还需要中国科学家和中国人民一同继续努力！

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