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利用单原子量子比特扩展量子计算机
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单原子量子比特：量子计算的新时代
量子计算机是极其复杂的机器，利用单个原子行为的细微变化进行计算。因此，它们既利用了原子和单个粒子尺度上宇宙本质的新见解，也揭示了它们的新奥秘。
构建大规模量子计算机可能需要这样的见解，因为系统越复杂，构建足够大规模以供实际使用就越困难。
澳大利亚悉尼大学的研究人员最近成功将多个量子计算数据编码到单个原子中，这可能会彻底改变量子计算量子比特（“普通”计算机比特的量子当量）的物理尺寸。
他们在著名科学杂志《自然物理》上发表了他们的研究成果1， 在标题之下 ”用于 Gottesman–Kitaev–Preskill 逻辑量子比特的通用量子门集“。
让量子比特更可靠
目前，量子比特的产生要么是通过一种叫做“囚禁离子”的方法，要么是通过使用超冷超导材料。
来源: “福布斯”
两种方法都有其局限性：
- 被捕获的离子仅包含少量量子位，但更可靠并且产生的错误更少。
- 超导材料具有更多的量子比特，预计更容易扩大规模，但更容易出错。
在这两种情况下，错误率都会影响物理与逻辑量子比特的比率，或者从计算的角度来看创建功能量子比特所需的物理量子比特的数量。
随着有用（或逻辑）量子比特数量的增长，所需的物理量子比特数量也随之增长。随着规模的扩大，制造一台实用的量子机器所需的量子比特数量将成为一场工程噩梦。
因此，使量子计算机具有更强的抗错误能力可能是目前该领域研究人员最重要的任务，因为它将消除构建有用的大规模量子计算机的主要障碍。
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| 量子比特类型 | 可扩展性 | 错误率 | 温度 |
|---|---|---|---|
| 俘获离子 | 低（少量量子比特） | 低 | 室内温度 |
| 超导 | 高 | 高 | 接近绝对零度 |
| 单原子（悉尼） | 可能很高 | 可用 GKP 矫正 | 室内温度 |
缩小量子比特
澳大利亚的研究人员使用了一种捕获离子（带有带电镱原子）量子计算系统，以及一种称为 Gottesman-Kitaev-Preskill (GKP) 代码的编码数据形式。
GKP 是一种有望帮助纠正量子计算机错误的代码。但迄今为止，实际创建 GKP 代码一直非常困难。
关键是创建一个“逻辑门”，即一个允许计算机（量子计算机和经典计算机）可编程的信息开关。
研究人员利用量子控制实验室衍生的初创公司 Q-CTRL 开发的量子控制软件，将数据以 3D 形式编码到单个原子中。
本质上，两组数据被存储为单个原子的振动，一组为从“左到右”的振动，一组为从“上下”的振动。
“实际上，我们在一个捕获离子中存储两个可纠错的逻辑量子位，并展示它们之间的纠缠。
Vassili Matsos – 物理学院和悉尼纳米技术学院博士生
构建单原子逻辑门
为了实现这一量子物理壮举，他们在室温下使用复杂的激光阵列将单个原子捕获在陷阱中，从而控制其自然振动并利用其产生复杂的 GKP 代码。
来源: 自然物理学
“室温”部分非常重要，因为它使其比需要接近绝对零度温度和液氦的超导量子计算机本质上更容易且更便宜地运行。
“我们的实验首次实现了 GKP 量子比特的通用逻辑门集。
我们通过精确控制捕获离子的自然振动或谐振荡来实现这一点，这样我们就可以操纵单个 GKP 量子比特或将它们纠缠在一起。”
迈向可扩展的量子计算机
正是室温控制、单原子逻辑门和错误减少代码的结合使得这一发现如此重要。
总之，这为新型离子阱量子计算机开辟了道路，这种计算机的构建可能更加简单，扩展也更加容易。
“我们的实验取得了一个重要的里程碑，证明这些高质量的量子控制提供了操纵多个逻辑量子位的关键工具。
通过使用这些量子位展示通用量子门，我们为以高度硬件高效的方式进行大规模量子信息处理奠定了基础。”
与此同时，最近的几项新发现展现了量子计算机互联互通的潜力。因此，如果每台量子计算机的性能都越来越强大，量子网络也越来越接近现实，这将有助于实现可用量子比特容量的爆炸式增长。
量子计算机解锁新物理学
规模扩大的量子计算机很可能将彻底改变密码学和科学研究，因为它们具有解决二进制计算机难以计算的复杂问题的巨大能力。
但它也可能间接地为物理学家研究量子领域开辟一条全新的途径。
根据《自然》杂志的一篇新文章，普林斯顿大学、康奈尔大学、普渡大学、诺丁汉大学（英国）、慕尼黑工业大学（德国）和谷歌研究院的研究人员对谷歌量子计算机进行的分析得出了这样的结论。2，标题为“(2 + 1)D 格子规范理论中电荷和弦的动力学可视化“。
测量规范理论
谷歌量子计算机允许研究人员试验和测试所谓的“格点规范理论”（LGT），这是一种量子场论，假设规范场（传递力的场，如电磁场）和规范玻色子（承载这些力的基本粒子）的存在。
来源: 自然
该团队展示了粒子以及连接它们的看不见的“弦”如何行为、波动甚至断裂。
来源: 自然
研究人员在该研究中证实，这些“弦”可以在量子计算机中测量和观察。
“利用量子处理器的力量，我们研究了一种特定类型的规范理论的动态，并观察了粒子和连接它们的看不见的‘弦’如何随时间演变。”
通过创建非常受控的情况来观察量子效应，而不需要粒子加速器的非常高的能量水平，很明显量子计算机可能成为基础物理研究的关键工具。
“我们的工作展示了量子计算机如何帮助我们探索支配宇宙的基本规则。
通过在实验室中模拟这些相互作用，我们可以用新的方式检验理论。”
可扩展量子计算机的未来
量子计算机的潜力尚未被完全理解，因为它们的基本原理经常被重新改造，这与第一台计算机从穿孔卡到真空管再到硅晶体管的演变过程并无二致。只不过，量子计算机的变化速度要快得多。
这意味着我们很快就会看到更大、更强大的量子计算机制造方面取得重大进展，这些计算机也可能联网以实现更大的容量。
这不仅可以开辟更高计算能力的道路，而且可以对物质和量子物理有全新的理解，例如，一种全新的物质状态，如 微软量子计算团队（Majorana-1芯片）最近展示的“拓扑状态”.
投资量子计算
霍尼韦尔/Quantinuum
(HON )
虽然谷歌的量子计算机可能揭示有关量子物理理论的新见解，但使用捕获离子技术发现潜在的 1 原子量子比特似乎使这种方法比超导量子计算机更接近商业可行性。
Quantinuum 是霍尼韦尔量子解决方案和剑桥量子合并的结果。
霍尼韦尔仍是该公司的大股东（可能拥有 52% 的所有权） 在一轮融资后，其估值达到 5 亿美元据报道，创始人伊利亚斯·汗 (Ilyas Khan) 持有该公司约 20% 的股份。其他股东包括 JSR Corporation、三井物产、安进、IBM 和摩根大通。
Quantinuum 未来可能进行 IPO，这可能是更大规模公司重组的一部分， 价值估计高达 20 亿美元 以及 可能发生在 2026 年至 2027 年之间.
量子计算并不是霍尼韦尔业务的核心部分，其主要业务是航空航天、自动化以及特种化学品和材料领域的产品。
然而，这些领域中的每一个都可能受益于量子计算，尤其是 计算化学 和量子网络安全，这可能使霍尼韦尔在竞争中占据优势。
该公司目前的主要型号是 H2，这是一款捕获离子的 56 量子比特芯片，具有 99.895% 的双量子比特门保真度。
该公司追求的是高质量、低误差的计算，并尽可能多地添加量子比特，创造了所谓的“容错量子计算”。
该公司将这种方法称为“更好的量子比特，更好的结果”，类似数量的量子比特可实现 100-1,000 倍更可靠的结果。
来源: 量子
这可能会对迫切需要的抗量子密码学产生显著的影响，国防公司泰雷兹（霍帕 -0.96％） 已经与 Quantinuum 合作 以及 国际银行汇丰银行 以及 JP摩根.
Quantinuum 还提供其专有的量子计算化学 在Quanto，可用于制药、材料科学、化学品、能源和航空航天应用。
与许多其他量子计算公司一样， Quantinuum 提供 Helios，一种“硬件即服务”，让用户无需自己处理操作系统的复杂性，即可受益于量子计算。
Quantinuum 于 2024 年 XNUMX 月与德国英飞凌签署合作协议，欧洲最大的半导体制造商。英飞凌将带来其集成光子学和控制电子技术，助力打造下一代离子阱量子计算机。
随着集成光子学技术越来越接近实际应用，此次合作对 Quantinuum 未来的重要性已显而易见。目前看来，该公司的下一步计划是推出全球首款专注于 AI 的光子量子芯片。
在接下来的几个月里，Quantinuum 将分享正在进行的合作的成果，展示生成式人工智能中量子驱动进步的突破性潜力。
创新的 Gen QAI 功能将增强和加速金属有机框架在药物输送中的应用，为更高效和个性化的治疗方案铺平道路，具体细节将在 Helios 发布会上公布。
更多正在进行的使用案例可能会大大提升公司的未来价值，从而提升霍尼韦尔在其中的价值以及投资者可以从中获得的潜在利润。
（您可以阅读更多关于 霍尼韦尔在自动化、航空航天和先进材料领域的其他工业活动，请参阅该公司的专门报告).
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参考研究
1. Matsos, VG, Valahu, CH, Millican, MJ 等人。Gottesman–Kitaev–Preskill 逻辑量子比特的通用量子门集。《自然·物理》。(2025)。 https://doi.org/10.1038/s41567-025-03002-8
2。 Cochran, TA、Jobst, B.、Rosenberg, E. 等人。 (2 + 1)D 格子规范理论中电荷和弦的动力学可视化。 Nature 642，315-320（2025）。 https://doi.org/10.1038/s41586-025-08999-9
