1. ニュース
2020年6月、技術製造会社ハネウェル（ハネウェル）は、同時期のIBMやGoogleの量子コンピュータの2倍となる64の量子体積を持つ初のイオントラップ量子コンピュータH0をリリースした。同社は、この成果は量子電荷結合素子（QCCD）の構造における画期的な進歩によって可能になったと述べており、これは2015年の科学論文で実証されており、電磁場を使用してレーザーパルスを操作し、制御できるようにするというものである。各イオンごとにエンコード (トラップ) されます。
2020年8月、Qike Quantum（イオントラップ量子コンピューティングを中核とするアジア初の量子情報技術企業）は、「Tiansu No.1」イオントラップ量子コンピュータプロジェクトを正式に開始し、2～3年以内に完了する予定です。インデックスは 100 を超える制御可能な量子ビットに達する可能性があります。2021年、Qike Quantumは中国初のイオントラップ量子コンピュータエンジニアリングマシンAbaQ-1AbaQ 1イオントラップ量子コンピューティングとTraq-T1量子ティーチングマシンを発売した。
2020年10月、IonQは、低量子ゲートと400万の量子体積を備えた「完璧な」量子ビットを32個搭載した「世界最強」のイオントラップ量子コンピュータの開発を発表した。IonQ はまた、量子コンピューターにより効率的なソフトウェア作成が可能になり、システムのスケーリングが可能になるとも主張しています。
2021 年 3 月、ハネウェル H1 量子コンピュータ システムは 512 の量子体積を達成し、当時最大の量子体積を備えた商用イオントラップ量子コンピュータとなりました。Quantinuum (ハネウェルの量子コンピューティング会社) は、イオン トラップ ハードウェア グループの下で H1-1 を数回アップグレードしており、2021 年 7 月には 1024 量子体積に達する予定です。同じ時期に、Quantinuum は、H1-2 として知られる第 2 世代 H1 量子コンピューターを顧客と協力者に静かにリリースしました。システム モデル H1-2 は、H1-1 と同じイオン トラップ アーキテクチャ、制御システム設計、統合光学系を使用します。
2022 年 8 月、世界初の上場イオン トラップ量子コンピューティング企業である IonQ は、ユーザーが Azure Quantum プラットフォームを通じてアクセスできる 23 アルゴリズム量子ビットを備えた IonQ Aria システムの発売を発表しました。これは、2019 年の IonQ Harmony のリリースに続き、Azure Quantum プラットフォーム上でリリースされる 2 番目の量子システムです。IonQ は、IonQ Aria は現時点で世界で最も優れた公開量子コンピューターであると述べました。
2. イオントラップ技術
イオン トラップとも呼ばれるイオン トラップは、電場または磁場を使用してイオン (つまり、荷電した原子または分子) を特定の範囲内にトラップして閉じ込めるデバイスです。イオントラップは真空中で実現され、イオンはデバイスの表面に接触しません。最も広く使用されているイオントラップは「ポールトラップ」です。この技術はウォルフガング・ポールらによって提案され、1980年代にノーベル賞を受賞した。主な原理は、空間内の交流電場を介して、空間内の特定の領域に荷電イオン (巨視的な粒子の場合もある) を結合することです。交流電場は、回転するサドルの表面とサドルの形状に似た構造を形成できます。と回転速度が十分に高い場合、イオンは安定して結合できます。
イオントラップ技術は、「量子ビット」と呼ばれる原子のスピン方向など粒子の量子力学的状態で0と1を表す量子コンピュータに応用できます。イオン トラップは現在、量子ビットを実現する最良の方法の 1 つであり、電極を使用して電場を生成し、超冷却されたイオンを電場内に「トラップ」する方法です。イオンをうまく捕捉してトラップするには、通常、電極を 3 次元のケージ構造に組み込む必要があります。米国立標準技術研究所の専門家は、既存の電子産業技術を利用して平面型イオントラップを製造し、イオントラップの製造規模を容易に拡大できるようにしました。
3. イオントラップ量子コンピュータの構成
イオントラップ量子コンピュータは通常、量子コンピューティング環境サポートシステム、量子コンピューティング測定および制御システム、量子コンピューティングソフトウェアシステム、および量子チップシステムの部分で構成されます。
量子コンピューティング計測制御システムは、量子チップの動作を制御し、量子コンピューティングの結果を読み取るために使用される量子コンピュータの制御システムです。
量子コンピュータ環境サポートシステムには、イオンポンプシステム、磁場制御システム、温度・圧力制御システム、真空システムなどが含まれ、量子コンピュータの安定した動作環境を提供します。
量子コンピューティング ソフトウェア システムは、量子コンピュータによって提供される量子コンピューティング ソフトウェア システムの基本的な枠組みであり、量子プログラミング、マルチ量子コンピューティング、量子リソース管理などの機能を備えています。
量子チップシステムは、量子計算を行う量子コンピュータの中核ユニットであるイオントラップ量子チップをベースとしたシステムであり、量子チップは量子コンピュータの「魂」です。
イオントラップ量子コンピュータの基本的な動作プロセスは次のとおりです。
1. 原子炉内で、加熱された原子の外殻電子がイオン化されてイオンが形成されます。
2. 真空チャンバー内のイオン トラップ チップは、交流高周波電磁場を生成して、イオンをイオン チェーンにトラップします。
3. 冷却光によって冷却されたイオンは、イオントラップ集積チップから放射される制御光と相互作用して、特定の量子状態を実現します。
4. 量子コンピューティングは量子の状態を操作することで実現され、量子計測制御システムはその操作結果を読み取ります。
イオントラップ量子コンピュータの量子チップシステム構造の三次元図とイオントラップチップの設置位置は以下のとおりです。 イオントラップ
量子コンピュータのイオントラップと測定システム図は以下のとおりです。
4. イオントラップチップ
イオントラップチップは通常、電極ピン、RF 電極、DC 電極で構成されます。高周波電極と直流電極でイオントラップを構成しており、イオントラップは２層構造となっている。RF 電極はセグメント化されていない電極であり、DC 電極は複数のセグメントに分割されており、RF 電極と DC 電極の設計モデルは比例縮小ポール フィルターであり、量子間隔は RF 電極と DC 電極の間にあります。
イオン トラップ チップは、下の図 a に示すように、最下層 (I)、スペーサー層 (II)、および最上層 (III) の 3 つの層で構成され、ファイバー キャビティ (灰色) は電極層 (赤色) によって挟まれています。 、緑色）、以下の図 b に示すように、表示します。
イオン トラップ チップは金メッキのプリント基板にはんだ付けされており、チップの近くには SMD ローパス フィルターがあります。外部接触パッドは DC 電極をイオン トラップ チップに接続します。RF 電極は、真空チャンバー内の 1 mm 銅テープに直接はんだ付けされます。イオントラップチップの前には、溢れ出る中性原子のビームを発生させるオーブンが2台設置されています。
イオン トラップの構成
イオン トラップは 2 層の電極で構成され、各層にはセグメント化されていない RF 電極とセグメント化された DC 電極が含まれており、セグメント化された各 DC 電極は独立して制御可能です。セグメント化された DC 電極は、保存、送信、処理という 3 つの異なる領域に分割されます。イオントラップの構造図は次のとおりです。RF
電極と DC 電極の 2 層は互いに平行であり、バランスの取れた電場を実現するために 2 つの電極層は可能な限り対称になっています。電極は長いスリットによって分離されており、これは光学蛍光検出およびトラップされた電極イオンのための量子領域です。
2 つの別個の電極層は絶縁層によって分離されています。絶縁層は外部電界に対するイオン遮蔽を確保するために必要であり、この絶縁層はセパレータとして機能します。トラップされたイオンは 2 つの電極層に閉じ込められます。
イオントラップ電極
2 層マイクロチップ イオン トラップの幾何学的モデルは次のとおりです。
(a) セグメント化された DC 電極 (灰色) は、セグメント化されていない単一の RF 電極 (黒色) とは異なるレイヤー上にあります。半径方向閉じ込めのために RF 電圧が 2 つの RF 電極に印加され、軸方向閉じ込めのための静的電圧が各 DC 電極で個別に選択されました。
(b) 2 つの電極層の厚さは t、分離距離は s です。捕捉電極の長さは w で、rf 電極とセグメント化された DC 電極は各層でギャップ g だけ分離されています。
(c) DC 電極セグメントの長さは k で、ギャップ h によって分離されます。線形トラップ対称軸は、後で x 方向または軸方向として示されます。
隣接するフィンガー電極は 200μm の一定の長さを持ち、30μm の間隔があります。軸方向電界対称性は、DC 電極ストリップの反対側の RF 電極ストリップの溝ギャップによって提供されます。これらの RF ノッチは、長さ 60μm で、30μm の間隔があります。下の図は、変換ゾーンと処理ゾーンの電子顕微鏡写真です。
5. 中国におけるイオントラップ技術の現状
中国で実用化されたイオントラップ量子コンピュータは、Qike Quantum社が独自に開発した分散型イオントラップ量子コンピュータであるAbaQ 1である。イオン トラップ量子コンピューティングは、分散型イオン トラップ量子コンピューティングの特徴を強調します。イオントラップノードは中国太鼓の形で表されます。すべてのイオン トラップ ノードは 9 正方形のグリッド上に統合されており、中央のグリッド ポイントは光子の接続と交換のハブとして機能します。全体のデザインは「九公太鼓」をハイライトとしています。このモジュラー設計により、各ノードは 20 個の完全にリンクされたイオンを捕捉し、プラットフォームは最大 8 つのコンピューティング ノードを接続できます。最大 100 量子ビット以上のリンクが可能です。このような設計は、単一ウェル内の量子の高い忠実度を保証できるだけでなく、計算能力を急速に拡張することもできます。
現在、中国はイオントラップコンピュータの応用技術では米国と肩を並べているが、イオントラップの基礎研究はまだ米国に比べて若干劣っており、中国の科学者と中国国民は今後も協力していく必要がある。 ！
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