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：IonQ、IEEE Spectrum、Tom’s Hardware
（本文提供合作夥伴轉載。首圖來源：IonQ）
