Quantinuum公司最近宣布，其第一代系统模型H1俘获离子量子计算机再次创下了32，768的新量子体积（QV）记录。这一成就与Quantinuum最初的2020年路线图一致，该路线图预计将在五年内每年将量子量增加10倍。
Quantinuum H1-1量子计算机的早期实验版本显示出相对较小的量子体积值。当该机器于 2020 年首次公开亮相时，Quantinuum（当时是霍尼韦尔量子解决方案公司）记录的 QV 为 64。此后，Quantinuum连续八次稳步翻倍H1量子体积，达到目前的32，768。
什么是量子体积？
有许多测试可用于确定单个量子组件和系统的性能。然而，只有少数测试可以衡量量子计算机的整体性能。IBM 在 2019 年通过量子体积 （QV） 的开发填补了基于门的量子计算机的这一空白。QV具有产生易于解释的单一数字测量的额外好处；QV值越高，量子计算机越强大。
量子体积是整体的，这意味着它不能通过夸大一个或两个因素来博弈，例如在不进行任何其他调整的情况下添加许多量子比特。要提高QV，必须对系统的各个部分进行综合改进。
量子计算机和速度计
简单地说，量子体积可以比作高性能赛车中的速度计。这两种测量都反映了一个复杂系统的总体性能。速度计测量的是由强大的电机、各种精密部件和微调系统所产生的速度。赛车科学家们优化了赛车的空气动力学、燃料混合物、轮胎和复杂变速器的传动装置，以获得最高的速度。
然而，还有另一个因素——摩擦——会影响速度。大多数摩擦来自空气阻力、路面和车内的机械部件。
同样，量子体积可以衡量量子计算机的整体性能。量子比特数、量子比特连通性、量子门的速度和保真度、串扰、电路编译器效率和测量误差直接或间接地影响QV。就像摩擦会对汽车的性能产生负面影响一样，错误也会降低量子计算机的性能。量子误差通常也被列举为保真百分比。
高保真量子比特转化为高量子体积
量子比特是量子计算机中信息的基本单位。量子计算在计算量上以指数方式超越经典超级计算机的巨大潜力来自叠加和纠缠的量子特性，这些特性允许量子比特同时相互作用。
与量子比特数量相比，量子比特质量经常被不熟悉量子计算的人误解。有人会问，大量的低保真量子比特是否能胜过少数高质量的量子比特。出于多种原因，答案是否定的。质量差的量子位产生的错误可能会降低计算机的性能，而不是提高它。按照同样的标准，低保真量子位也会降低量子体积。
QCCD：Quantinuum高性能背后的秘密
Quantinuum不断提高其量子体积的能力可归因于其俘获离子结构，称为量子电荷耦合器件（QCCD）。
Quantinuum是第一家实施和改进QCCD的公司，二十年前由David Wineland博士（2012年诺贝尔物理学奖获得者）及其NIST小组在一篇研究论文中提出。IonQ的联合创始人兼首席科学家、杜克大学物理学、电气和计算机工程教授Chris Monroe博士是该论文的作者之一。
Quantinuum的QCCD架构由多个专用区域组成，可以将少量的镱和钡离子输送到其中以进行量子计算。QCCD还支持称为中电路测量和复位（MCMR）的重要功能。它允许算法在执行期间暂停以测量量子位，而不会影响结果。MCMR有望在未来量子纠错中发挥重要作用。由于其重用量子比特的能力，在某些情况下，它可以减少操作所需的量子比特总数。
Quantinuum的H1代H系列量子计算机目前有20个完全连接的量子比特，分布在其执行量子比特操作的五个QCCD区域。将来，当Quantinuum选择增加量子比特的数量时，它可以添加额外的区域。
增加量子体积
Quantinum的QCCD架构帮助其研究人员增加了系统模型H1的量子体积和系统保真度。以下是两个示例：
Quantinuum在过去三年中在五个最重要的量子计算性能指标上的持续保真度改进有助于提高其QV。这些指标是单量子比特门、双量子比特门、状态准备和测量 （SPAM）、内存错误和串扰。
单量子比特门和完全纠缠的双量子比特门通常用于构建量子电路操作。然而，并非所有算法都需要完全纠缠双量子比特门。
QCCD通过将两个量子比特移动到隔离区域来创建两个量子比特门，以减少在该区域包含许多量子比特时可能发生的潜在错误和串扰。QCCD具有更高的精度和对小区域中几个量子比特的控制，不仅限于创建普通的双量子比特全纠缠门；该架构还允许创建任意角度的部分纠缠门。这些门的优点是能够在许多电路类型上运行，误差更少。例如，量子傅里叶变换（QFT）用于许多量子算法，最著名的是Shor算法。在QFT中，用任意角度的部分纠缠门代替普通的两量子比特纠缠门，所需的门数减少了一半，误差减小了2倍。
Quantinuum在QV电路中使用任意角度的部分纠缠门，产生了32，768的最新量子体积记录，这应该不足为奇。
性能洞察
量子体积不仅仅是一个性能指标。它还可用于协助开发工作。除了量子体积公告外，Quantinuum还提供了一些有趣的见解，说明其研究人员如何解决涉及量子体积的几个技术问题，以及一种大大改善电路运行时间的方法：
- 为了不断提高量子体积，研究人员必须了解他们的误差预算以及如何减少误差。这在Quantinuum的工作中很明显，量子体积的增加归因于一些改进，但主要是激光相位噪声。
- Quantinuum位于德国慕尼黑实验室的研究人员正在开展一个项目，其中量子计算机给出的答案对噪声非常敏感。由于量子计算本质上是概率性的，因此电路必须运行多次（这些称为“射击”）才能找到出现次数最多的答案。噪音越高，需要的镜头就越多，才能自信地说出您已经提取了正确的答案。更多的射击需要更多时间，而延长的运行时间对于长电路或量子硬件和资源有限时可能非常成问题。
通过对Quantinuum H1在相关电路上的性能进行基准测试，研究人员发现，门保真度的微小变化使算法的运行时间缩短了3倍。
总结
Quantinuum在过去12个月中取得了许多研究成果，这些成就对其长期成功非常重要。一个例子是在五量子比特码和颜色码上实现容错纠缠门，这对量子纠错的未来发展很重要。
在另一项突破中，Quantinuum研究人员通过开发一种方法同时使两种类型的离子通过结并在离子阱中右转，消除了其长期路线图中的潜在障碍。在这种发展之前，人们认为每种类型的离子都必须通过结单独移动，然后重新组合 - 时间成本很高。
综合考虑，Quantinuum在过去两年中取得了长足的进步。展望未来，我预计Quantinuum将继续专注于更高的保真度，并扩展其实时量子误差缓解和量子纠错研究。我们也有可能看到它使用镱离子作为量子比特和钡离子进行冷却的转变，这提供了几个优点，包括增加栅极保真度。
Quantinuum拥有可靠的管理，出色的量子技术平台和积极的路线图。看看其新任首席执行官Raj Hazra博士将做出哪些改变（如果有的话）将是一件有趣的事情。
分析说明
Quantinuum和IonQ是两大的俘获离子量子计算机公司。正如文章所强调的，Quantinuum的QCCD架构由多个小区域组成，每个小区域包含少量量子比特。IonQ的架构围绕多核量子处理器构建，其中包含大量量子比特，最终将与光子网络互连。两家公司都为量子生态系统做出了重大贡献。
为了避免任何纯粹的批评，本文只使用速度表与量子体积进行比较，因为它很简单，每个人都应该熟悉。此外，IBM还为量子计算机开发了一种速度基准测试，称为每秒电路层操作（CLOPS），用于测量量子处理器每单位时间内可以执行多少QV电路。
Quantinuum的H1系列硬件路线图涵盖了其从1年的第一代H2020处理器到H5处理器的演变，H2030处理器预计将于<>年发布。
虽然还没有正式宣布系统型号 H2 的发布日期，但估计它可能会在 2023 年中期的某个时候宣布。
确定量子体积涉及运行特殊量子电路协议时获得的输出概率。简单地说，必须优化特定的量子电路，然后运行多次以确定超过指定水平的结果百分比。
根据Quantinuum的数据，新QV里程碑的平均H1-1单量子比特门保真度为99.9955（8）%，全连接量子比特的平均双量子比特门保真度为99.795（7）%，状态准备和测量保真度为99.69（4）%。对于这两个量子体积，Quantinuum团队运行了100个电路，每个电路200次射击，使用标准QV优化技术，每个电路平均产生219.02个任意角度的双量子比特门，每个电路在214测试，和244.26个任意角度的双量子比特门每个电路上的215测试。
Quantinuum为其量子计算机使用敏捷开发过程。H 系列系统不断升级，直接在商用 H1-1 系统上实施改进。这使用户可以立即访问系统性能的所有改进。
