霍尼韦尔的捕获离子设计可能给量子计算行业带来正电荷

发布日期:2020年3月6日

介绍

虽然对量子计算的兴趣正在迅速增长，但还没有一种普遍接受的方法来构建量子硬件。构建量子计算机的方法的多样性与20世纪90年代早期处理器架构的多样性有一定的相似之处——有超导、拓扑和自旋量子位以及基于fpga的量子模拟器。霍尼韦尔正在发布一款基于捕获离子的量子计算机，并承诺将发布市场领先性能和中间电路测量的高质量声明，同时还承诺将发布数据来支持这些声明。

451年花

霍尼韦尔白手起家，发布了一些前沿公告和雄心勃勃的(可衡量的)计划。一家拥有精密工程专业知识的公司很有可能制造精密量子计算机，这是有道理的。它还告诉我们，该公司选择使用量子量(Quantum Volume)——这无疑是当今衡量量子计算进展的最公平的标准——来表明它是认真地想要成为市场领导者。当然，巨大的挑战仍在等待着我们。多年来，IBM已经培育了一个企业和热情开发人员的生态系统，并且在向希望深入研究数据的企业销售数据方面具有丰富的经验。霍尼韦尔的传统不是销售软件和信息技术，而是设计和系统。另一方面，霍尼韦尔已经与可能从量子计算中获益最多的行业建立了联系，例如航空航天、化学和材料科学。如果霍尼韦尔实现了其雄心勃勃的目标，那么机遇可能就来到了霍尼韦尔。

上下文

当今量子计算面临的最大挑战是相干性。正如我们的引子所述，一个量子位元可以有0,1的状态，也可以是精确状态不确定(状态的叠加)的非经典组合。确定性量子算法允许我们使用这种非经典状态来编码问题，然后将其“压缩”成一个确定的答案，比如一串0和1。相干性是衡量量子位元能保持在这种不确定状态多长时间，从而在其上执行操作——这对量子计算至关重要。但这是一个具有挑战性的问题——作为量子位元基础的微小粒子对环境和彼此都非常敏感。保持相干性是一个工程问题，涉及低温学、材料科学、磁学和真空来隔离量子位元，同时保持移动和操纵它的能力。

霍尼韦尔认为，这正是它可以利用的地方。这家工程和航空航天企业集团研究量子计算已有10年，它认为自己在高精度控制系统方面的经验使其具有优势，而更习惯于购买服务器和编写软件的科技公司将无法与之竞争。具体来说，它专注于在自己的铸造厂设计和制造的捕获离子技术。霍尼韦尔于2019年12月推出了测试版项目，之前在两个地点并行开发了8个系统，每个系统都专注于改进特定的特性。

霍尼韦尔的离子量子位是一个带净正电荷的原子。通过操纵由微型制造设备产生的电场，离子可以被“捕获”在电磁场中——一个离子陷阱。在这里，离子悬浮在离子阱上方，距离表面不到100µm。霍尼韦尔器件具有线性几何结构，这意味着被捕获的离子可以沿着定义明确的捕获轴移动到捕获器件的其他部分。离子量子位具有两个内部态，0和1，在量子电路的执行过程中，它可以被操纵为非经典的组合态。一旦量子位被测量，一个0或1的结果被记录。激光用于所有量子操作，包括初始化，门控操作和测量量子态。霍尼韦尔使用镱作为保持量子态的物理材料，因为它的结构如此明确，可以以更可预测的方式进行控制。

技术

量子位数目通常用作测量量子计算机的力量,尽管这是一个可怜的测量由于实质性差异量子位的特点设计和它们是如何相互关联的创建一个量子计算机,最终决定的因素复杂,多快可以解决问题。你不会只根据发动机的大小来买车。由IBM提出的作为供应商中立基准的量子量是一个更加公平的度量:它是一个单数字度量，量化了量子计算机成功实现的等宽(涉及的量子位数)和深度(随后执行的门数)的最大随机电路。

霍尼韦尔声称，在其首次公开发布量子计算机时，其量子量将达到64，并承诺在未来五年每年增加10倍的数量级——换句话说，到2025年，量子计算机的能力将比现在强10万倍。霍尼韦尔表示，在Quantum Volume进入测试阶段仅8周后，其首次“检查”是16次，并将向公众公布测试数据。相比之下，IBM最近宣布其“Raleigh”设计的量子容量达到32。

霍尼韦尔表示，它之所以能够做到这一点，是因为其离子阱架构中设计精确、隔离的区域，以及在这些区域之间移动离子的能力。这使得它可以使量子粒子在更长的时间内保持相干状态，从而更容易操纵它们。量子位的长相干时间和物理可分离性也意味着霍尼韦尔可以实现中间电路测量。一个单独的量子位(或量子位的子集)可以在计算过程中被测量，以及基于此测量执行的操作。这类似于传统计算中的IF语句。测量一个量子位会导致其状态崩溃，不确定性消除——但霍尼韦尔可以将这个量子位重新插入算法，并在需要时重新初始化它，这样计算就可以继续进行。这是霍尼韦尔的一个不同点。

如今，该公司将其大部分知识产权作为商业机密来管理，因此它将硬件放在自己的地盘上。客户可以通过api作为云服务访问量子计算机，而Azure quantum是一个接入点。

竞争

IBM生产基于超导量子位的量子计算机，并拥有Qiskit开源开发平台。谷歌声称量子霸权谷歌还没有将其研究商业化。与霍尼韦尔一样，IonQ也在追求捕获离子的设计，但采用了不同的架构，不涉及将离子物理传输到指定区域。英特尔正在研究自旋量子位，微软正在研究拓扑量子位。D-Wave Systems生产一种基于超导的量子退火器，针对特定的工作负载。

超级标量也在构建量子管理平台。微软(Microsoft)推出了Azure Quantum(与霍尼韦尔(Honeywell)合作)，亚马逊(Amazon)也在采用类似的方法，于2019年在Re:invent推出了Braket服务。