近年來量子計算正成為全球主要國家重點關(guān)注的科技領(lǐng)域之一，量子計算領(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《十四五規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》中強調(diào)，要加快布局量子計算、量子通信等前沿技術(shù)，加強基礎(chǔ)學(xué)科交叉創(chuàng)新。
量子計算的發(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)量子計算人才缺口正持續(xù)擴大，高校加強量子計算人才培養(yǎng)刻不容緩。盡管當(dāng)前我國已開設(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)生將理論與實踐相結(jié)合，如何將自身研發(fā)成果轉(zhuǎn)化為強有力的教學(xué)生產(chǎn)力，培養(yǎng)更多量子計算人才，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，用于模擬離子阱量子計算機并演示器部分功能，針對不同應(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、實驗室等場景對量子計算機教學(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。
離子阱量子計算機能夠進行量子計算，主要是靠三個部分，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，恒定勻強磁場)、通過激光對離子進行操作。
其中，穩(wěn)定的約束離子是通過保羅阱實現(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。主要原理是通過空間中的交變電場把帶電離子(可以是宏觀粒子)束縛在空間中的特定區(qū)域，交變電場可以形成一個類似于旋轉(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)。
具體的實現(xiàn)方式有多種，主要包括點式阱，線型阱和表面阱(如下圖所示)。
圖a表示電場的施加模式，圖b圖d和圖e表示點式阱的結(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，為了把離子阱量子計算機量子計算的過程可視化，啟科量子著力研發(fā)離子阱量子計算機的教學(xué)模擬機。
該系列模擬機除了可以演示離子阱束縛離子的原理，還可以通過對每個粒子進行單獨照亮演示離子阱量子計算機通過激光操控離子的過程，同時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，可用于老師教學(xué)演示以及學(xué)生自己動手實驗。該版本模擬機功能包括把粒子穩(wěn)定地束縛在阱的內(nèi)部，控制粒子的間距和左右移動，模擬離子阱量子計算機束縛離子同時控制離子的過程;以及用8束激光照亮粒子，每束激光照亮1個粒子，模擬離子阱量子計算機用激光對準(zhǔn)離子的過程等。
與教學(xué)版模擬機相比，面向科普展覽館等場所的科普版模擬機，增加了一鍵自動加注粒子和演示量子算法功能，讓高深的量子計算技術(shù)以直觀、生動的形式呈現(xiàn)出來，在保證知識性和權(quán)威性的同時，讓科普知識“動起來”，拉近民眾與量子計算的距離。
面向科研人員的教學(xué)版模擬機可以幫助研究人員熟悉裝置的結(jié)構(gòu)和每個模塊的功能(如光學(xué)模塊，微博模塊和磁場發(fā)生模塊)、通過實驗對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、手動進行拉比振蕩實驗和T2退相干實驗、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算機的全棧式開發(fā)，在2020年啟動了分布式離子阱量子計算機的研發(fā)，對離子阱芯片、精密激光系統(tǒng)、量子比特光電測控系統(tǒng)、高速電子時序與控制系統(tǒng)、量子編程語言、量子云、量子算法庫、量子應(yīng)用等各系統(tǒng)研發(fā)也在持續(xù)進行中。
研發(fā)離子阱教學(xué)模擬機既是公司量子計算研發(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)機構(gòu)等開展合作，共同助力我國量子計算人才培養(yǎng)。
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