glass chip
IonQ 打造的玻璃晶片。

玻璃除了能用來做窗戶、杯子之外,現在也能拿來做「晶片」!量子運算公司 IonQ 近期打造一款玻璃晶片,能優化量子運算性能,並且運行新的量子運算架構,將量子位元擴大到百位數,執行大型、複雜的量子運算。

矽基晶片會有雜亂電場,玻璃晶片的量子運算效果較好

量子電腦的原理,是透過晶片附近的空間建立電磁陷阱(trap),將離子捕捉,並利用離子的量子態進行運算。傳統的陷阱是由矽基晶片工藝建造,但 IonQ 使用蒸發玻璃陷阱(evaporated glass trap)技術來開發量子晶片。IonQ 說明,以前的陷阱無法支援 IonQ 的新量子架構,而玻璃晶片可將離子鏈重新配置,有望讓量子電腦的量子位元數破百。

IonQ 蒸發玻璃陷阱研究團隊的領導人 Jason Amini 解釋,離子陷阱的目的是精確移動離子,將它們保持在環境中,並脫離量子操作。但矽基晶片的電荷會產生雜亂電場,可能會破壞量子態的穩定性,降低量子運算的保真度;而蒸發玻璃能隱藏任何能容納電荷的材料,讓陷阱更穩定,量子運算效果更好。

Amini 說明,玻璃晶片的另一個優點,是可以將陷阱塑造成脫離量子操作的方式。在量子電腦中,離子的量子狀態是透過雷射光來操控,而玻璃晶片能讓雷射光穿透。

玻璃晶片能運行新量子運算架構,執行更大型的運算

有了蒸發玻璃陷阱之後,IonQ 開始展示自己的新量子運算方案。IonQ 執行長 Peter Chapman 稱其為「可重構多核量子架構」(reconfigurable multicore quantum architecture,RMQA)。

RMQA 是這樣運作的:陷阱上有 4 條獨立的鏈,每條鏈有 16 個離子。這些鏈都能被移到合適的位置,並透過雷射光操控,改變它們的量子態或糾纏離子組(entangling groups of ions),讓它們的量子態聯繫起來。Chapman 表示,每條鏈本身就是一台量子電腦。另外,兩條鏈可以結合起來,形成一個核心,可以讓量子位元跨鏈糾纏,直到所有的量子位元連接起來,並執行大型、複雜的量子運算。

但 Chapman 指出,這樣的機制並不完美。在每條鏈的 16 個離子中,該技術能產生 12 個量子位元,但其他 4 個屬於製冷劑離子(refrigerant ions),用於糾正離子傳輸過程中的瑕疵,所以 IonQ 演示的 RMQA 能產生 48 量子位元。但能透過加長陷阱來擴展量子位元,以提升量子運算的能力。Chapman 表示,RMQA 架構能在單一晶片上,將量子位元擴大到百位數。

而 IonQ 正在開發的量子互連技術,有望帶動量子運算的下一步發展。該技術能將一個晶片上的量子位元與另一個晶片的量子位元連接。Chapman 說明,若能做到量子糾纏,距離就不重要了,無論是一個晶片上的多鏈,還是一個晶片到另一個晶片,都像是一台大型量子電腦。

晶片材料日新月異,從矽基到第三代半導體,現在又多了「玻璃」這個選項。而玻璃晶片能解決矽基晶片的缺陷,讓量子運算更穩定,實現更複雜的量子運算,推進量子電腦的發展。

參考資料:IonQIEEE SpectrumTom’s Hardware

(本文提供合作夥伴轉載。首圖來源:IonQ