近年來量子計(jì)算正成為全球主要國(guó)家重點(diǎn)關(guān)注的科技領(lǐng)域之一，量子計(jì)算領(lǐng)域正形成集科研攻關(guān)、工程研發(fā)、應(yīng)用探索和產(chǎn)業(yè)生態(tài)構(gòu)建為一體的全方位發(fā)展格局。我國(guó)《十四五規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》中強(qiáng)調(diào)，要加快布局量子計(jì)算、量子通信等前沿技術(shù)，加強(qiáng)基礎(chǔ)學(xué)科交叉創(chuàng)新。
量子計(jì)算的發(fā)展離不開高水平科研與技術(shù)人員支持，目前全球范圍內(nèi)量子計(jì)算人才缺口正持續(xù)擴(kuò)大，高校加強(qiáng)量子計(jì)算人才培養(yǎng)刻不容緩。盡管當(dāng)前我國(guó)已開設(shè)量子信息相關(guān)的本科班和研究生課程，但很多以課堂理論教學(xué)為主，如何讓學(xué)生將理論與實(shí)踐相結(jié)合，如何將自身研發(fā)成果轉(zhuǎn)化為強(qiáng)有力的教學(xué)生產(chǎn)力，培養(yǎng)更多量子計(jì)算人才，是啟科量子一直在探索的方向。
為此，啟科量子自主研發(fā)了離子阱全系列教學(xué)模擬機(jī)，用于模擬離子阱量子計(jì)算機(jī)并演示器部分功能，針對(duì)不同應(yīng)用環(huán)境推出教學(xué)版、科普版以及科研版三款產(chǎn)品，滿足課堂、科普展覽館、實(shí)驗(yàn)室等場(chǎng)景對(duì)量子計(jì)算機(jī)教學(xué)的多層次需求，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提升科普傳播能力，提高教學(xué)和研發(fā)質(zhì)量。
離子阱量子計(jì)算機(jī)能夠進(jìn)行量子計(jì)算，主要是靠三個(gè)部分，分別是穩(wěn)定的約束離子使離子不與其他物質(zhì)接觸(包括空氣)、提供合適的環(huán)境(包括超高真空，恒定勻強(qiáng)磁場(chǎng))、通過激光對(duì)離子進(jìn)行操作。
其中，穩(wěn)定的約束離子是通過保羅阱實(shí)現(xiàn)的，該技術(shù)由沃爾夫?qū)?保羅等人提出，并于上世紀(jì)80年代獲得諾貝爾獎(jiǎng)。主要原理是通過空間中的交變電場(chǎng)把帶電離子(可以是宏觀粒子)束縛在空間中的特定區(qū)域，交變電場(chǎng)可以形成一個(gè)類似于旋轉(zhuǎn)的馬鞍面的結(jié)構(gòu)，在馬鞍形狀和旋轉(zhuǎn)速度足夠高的時(shí)候，就可以穩(wěn)定的束縛離子(結(jié)構(gòu)如下圖所示)。
具體的實(shí)現(xiàn)方式有多種，主要包括點(diǎn)式阱，線型阱和表面阱(如下圖所示)。
圖a表示電場(chǎng)的施加模式，圖b圖d和圖e表示點(diǎn)式阱的結(jié)構(gòu)，圖c和圖f表示線型阱的結(jié)構(gòu)，圖g和圖h表示表面阱的結(jié)構(gòu)。(圖片來自Colin D. Bruzewicz, et.al, Trapped-Ion Quantum Computing: Progress and Challenges)
保羅阱除了可以束縛離子，還可以束縛帶電的宏觀粒子。離子無法通過肉眼觀測(cè)，為了把離子阱量子計(jì)算機(jī)量子計(jì)算的過程可視化，啟科量子著力研發(fā)離子阱量子計(jì)算機(jī)的教學(xué)模擬機(jī)。
該系列模擬機(jī)除了可以演示離子阱束縛離子的原理，還可以通過對(duì)每個(gè)粒子進(jìn)行單獨(dú)照亮演示離子阱量子計(jì)算機(jī)通過激光操控離子的過程，同時(shí)可以通過軟件演示可視化的量子算法。
面向課堂的教學(xué)版模擬機(jī)，可用于老師教學(xué)演示以及學(xué)生自己動(dòng)手實(shí)驗(yàn)。該版本模擬機(jī)功能包括把粒子穩(wěn)定地束縛在阱的內(nèi)部，控制粒子的間距和左右移動(dòng)，模擬離子阱量子計(jì)算機(jī)束縛離子同時(shí)控制離子的過程;以及用8束激光照亮粒子，每束激光照亮1個(gè)粒子，模擬離子阱量子計(jì)算機(jī)用激光對(duì)準(zhǔn)離子的過程等。
與教學(xué)版模擬機(jī)相比，面向科普展覽館等場(chǎng)所的科普版模擬機(jī)，增加了一鍵自動(dòng)加注粒子和演示量子算法功能，讓高深的量子計(jì)算技術(shù)以直觀、生動(dòng)的形式呈現(xiàn)出來，在保證知識(shí)性和權(quán)威性的同時(shí)，讓科普知識(shí)“動(dòng)起來”，拉近民眾與量子計(jì)算的距離。
面向科研人員的教學(xué)版模擬機(jī)可以幫助研究人員熟悉裝置的結(jié)構(gòu)和每個(gè)模塊的功能(如光學(xué)模塊，微博模塊和磁場(chǎng)發(fā)生模塊)、通過實(shí)驗(yàn)對(duì)量子比特的制備過程和量子比特與環(huán)境耦合過程有更直觀的認(rèn)識(shí)、手動(dòng)進(jìn)行拉比振蕩實(shí)驗(yàn)和T2退相干實(shí)驗(yàn)、演示量子算法(如Deutsch-Jozsa算法)等。
啟科量子一直專注于離子阱量子計(jì)算機(jī)的全棧式開發(fā)，在2020年啟動(dòng)了分布式離子阱量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)，對(duì)離子阱芯片、精密激光系統(tǒng)、量子比特光電測(cè)控系統(tǒng)、高速電子時(shí)序與控制系統(tǒng)、量子編程語(yǔ)言、量子云、量子算法庫(kù)、量子應(yīng)用等各系統(tǒng)研發(fā)也在持續(xù)進(jìn)行中。
研發(fā)離子阱教學(xué)模擬機(jī)既是公司量子計(jì)算研發(fā)規(guī)劃的一部分，也是啟科量子布局量子教育生態(tài)的重要一環(huán)，將于今年7月上線售賣，接下來啟科量子將與高校、研發(fā)機(jī)構(gòu)等開展合作，共同助力我國(guó)量子計(jì)算人才培養(yǎng)。
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