2026年7月23日——将量子信息通过一串量子比特传递，如同能量穿过牛顿摇篮，可能是实现更快运算的关键，并将量子计算推向新高度。

量子牛顿摇篮设计展示了如何利用激光向一排囚禁离子施加精确设计的能量冲击，以快速将其设置为量子计算状态，即所谓的门。

新算法的超强能力在于它能快速纠缠行中的任意两个离子，而不影响中间的离子：就像牛顿摇篮一样，能量穿过离子，却不扰动它们。

“量子计算的诀窍不在于制造大量量子比特，而在于如何使用它们。要成功，你需要门速度、门质量和量子比特数量这三者缺一不可，”来自量子科学与技术系（DQST）的第一作者Zain Mehdi说道。

“这些新的快速门打破了瓶颈——我认为，就可扩展性潜力而言，目前没有其他方法能像囚禁离子这样成功。”

量子计算机有望解决令经典计算机束手无策的问题，如优化、搜索或因式分解问题。创建量子计算机基本构件（量子比特）的多种不同方法正在争夺主导地位：例如超导硅、基于金刚石的NV色心、量子点，或者本工作采用的电磁场悬浮离子。

尽管其他技术拥有更多数量的量子比特，但囚禁离子在称为量子容量的指标上领先量子计算竞赛。当前量子容量记录由Quantinuum公司保持，因其拥有大量量子比特、数据保持时间长（相干时间），以及低噪声连接来执行操作（称为门）：这些都是成功进行量子计算的关键要素。

澳大利亚国立大学的新设计为囚禁离子的能力增添了另一个优势：激光系统可以快速寻址并纠缠任意一对离子，从而实现量子计算的最大灵活性。

该设计发表在《物理评论A》期刊上，并吸引了美国囚禁离子量子计算公司IonQ的关联资助。

囚禁离子量子计算机使用静电阱中的单个离子作为量子比特，这些离子可稳定保持数周甚至更长时间。它们被保存在真空中并经激光冷却，因此无需低温环境。Mehdi博士指出：“激光是我们控制得最出色的技术”，通过激光以极高的精度对量子比特进行寻址。

DQST团队负责人Joe Hope教授表示，这种新型灵活快速的门方法是利用囚禁离子制造有效大规模量子计算机所需的关键组件。

“现有的门在绝热状态下运行，速度很慢；但物理学上并没有理由阻止我们加快速度。”

“现在我们切换到了一个不同的参数区间，我们可以清晰地看到扩展到数百个量子比特上数百万个门的可能性。那将能够进行成功的药物设计或材料设计所需的量子模拟，”Hope教授说。

该团队使用机器学习优化算法来搜索能够给出所需输出状态的解决方案。

最初，团队的目标是超快寻址方案，在约100纳秒内传递激光脉冲，但意识到用现有技术实现起来颇具挑战性。于是DQST的荣誉学生Isabelle Savill-Brown开始探索更可行、速度较慢的脉冲速率，却意外发现这能给出更好的解决方案。

“在探索这个区间时，我能够找到链中任意一对离子之间的门解决方案。这令人惊讶，因为之前我们只能找到相邻离子之间的解决方案，”现为博士生的Savill-Brown女士说，她是该论文的第一作者。

“我们最初不明白为什么算法突然找到了这些非最近邻的解决方案。”

“然后我们意识到，我们已经进入了一个有足够时间让能量像牛顿摇篮一样在整个链中传播的区间，”Savill-Brown女士说。

算法找到的解决方案在1到10微秒之间——虽然较慢，但仍比目前的绝热门至少快两个数量级，Mehdi博士说。

“我们不得不放弃人类的直觉，才能找到这个更好的方案。”

“你敲击不同的离子，观察它们摆动——它们通过中间的离子进行通信。在操作结束时，你再给一次敲击，让一切停止运动，但这两个独立的离子现在已纠缠在一起。”

速度更快实际上会导致更高的门保真度，模型估计约为99.99%，因为该操作频率高于大多数噪声源（范围从几十赫兹到几百千赫兹）。

令人惊讶的是，随着系统扩展以连接更多门，门操作的速度并未受到损害，Savill-Brown女士说。

“理解离子动力学如何影响我们的门设计，以及如何利用不同的区间为我们带来优势，这非常有趣；这不仅仅是让门更快，还要找到自然支持可扩展性的区间。”

“这些模型的高保真度实验实现将为弥合现有小型量子处理器与大规模架构之间的差距提供清晰的路线图。”

团队使用了国家计算基础设施上的超级计算机进行机器设计。他们惊讶地发现，模型几乎能为他们提供的任何初始条件找到解决方案，DQST团队成员Simon Haine博士说。

“如果陷阱形状不同，或者以某种方式晃动，那么机器就会找到不同的解决方案。它总能工作！”

团队与其合作伙伴IonQ密切合作，后者组装了一个激光系统来演示必要的脉冲序列。

“最有趣的是每周的思想交流，我们分享详细而严谨的建模，他们则告诉我们为什么行不通——直到我们最终得到真正实用的解决方案！”Mehdi博士说。

新的量子门方案可用于寻址一排三十到四十个量子比特中的任意两个，并且与传统绝热门不同，它们不必全是相同的离子。链中包含不同的离子增加了设备的灵活性，因为可以加入多个专用量子比特，每个都有不同的优势（例如冷却、存储或连接）。此外，还有一个技术优势，因为不同的离子对不同的激光波长有响应。

“更高的门速度和计算效率支持更深层的电路、更有效的量子比特使用以及更高的系统吞吐量，使量子计算更接近实际可扩展性和现实应用，”Hope教授说。

该设计的另一个优势是多个牛顿摇篮可以连接起来，从而解决更复杂的量子问题。即使离子链在物理上是分离的，也可以使用光纤在它们之间创建光子互连。

通过关联资助，合作伙伴希望实现并改进连接，同时转向并行门——同时寻址链中两对或更多对离子。

“这技术非常前沿，以前从未实现过，”Hope教授说。

“有公司想要用它来构建实际应用，这令人兴奋。感觉就像买到了一张稳赚不赔的彩票，押注在革命性的事物上。”