启科量子离子阱全系列教学模拟机多版本满足客户需求

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近年来量子计算正成为全球主要国家重点关注的科技领域之一，量子计算领域正形成集科研攻关、工程研发、应用探索和产业生态构建为一体的全方位发展格局。我国《十四五规划和 2035 年远景目标纲要》中强调，要加快布局量子计算、量子通信等前沿技术，加强基础学科交叉创新。

量子计算的发展离不开高水平科研与技术人员支持，目前全球范围内量子计算人才缺口正持续扩大，高校加强量子计算人才培养刻不容缓。尽管当前我国已开设量子信息相关的本科班和研究生课程，但很多以课堂理论教学为主，如何让学生将理论与实践相结合，如何将自身研发成果转化为强有力的教学生产力，培养更多量子计算人才，是启科量子一直在探索的方向。

为此，启科量子自主研发了离子阱全系列教学模拟机，用于模拟离子阱量子计算机并演示器部分功能，针对不同应用环境推出教学版、科普版以及科研版三款产品，满足课堂、科普展览馆、实验室等场景对量子计算机教学的多层次需求，激发学生学习兴趣，提升科普传播能力，提高教学和研发质量。

离子阱量子计算机能够进行量子计算，主要是靠三个部分，分别是稳定的约束离子使离子不与其他物质接触（包括空气）、提供合适的环境（包括超高真空，恒定匀强磁场）、通过激光对离子进行操作。

其中，稳定的约束离子是通过保罗阱实现的，该技术由沃尔夫冈-保罗等人提出，并于上世纪 80 年代获得诺贝尔奖。主要原理是通过空间中的交变电场把带电离子（可以是宏观粒子）束缚在空间中的特定区域，交变电场可以形成一个类似于旋转的马鞍面的结构，在马鞍形状和旋转速度足够高的时候，就可以稳定的束缚离子（结构如下图所示）。

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具体的实现方式有多种，主要包括点式阱，线型阱和表面阱（如下图所示）。

图 a 表示电场的施加模式，图 b 图 d 和图 e 表示点式阱的结构，图 c 和图 f 表示线型阱的结构，图 g 和图 h 表示表面阱的结构。（图片来自 Colin D. Bruzewicz, et.al, Trapped-Ion Quantum Computing: Progress and Challenges）

保罗阱除了可以束缚离子，还可以束缚带电的宏观粒子。离子无法通过肉眼观测，为了把离子阱量子计算机量子计算的过程可视化，启科量子着力研发离子阱量子计算机的教学模拟机。

该系列模拟机除了可以演示离子阱束缚离子的原理，还可以通过对每个粒子进行单独照亮演示离子阱量子计算机通过激光操控离子的过程，同时可以通过软件演示可视化的量子算法。

面向课堂的教学版模拟机，可用于老师教学演示以及学生自己动手实验。该版本模拟机功能包括把粒子稳定地束缚在阱的内部，控制粒子的间距和左右移动，模拟离子阱量子计算机束缚离子同时控制离子的过程；以及用 8 束激光照亮粒子，每束激光照亮 1 个粒子，模拟离子阱量子计算机用激光对准离子的过程等。

与教学版模拟机相比，面向科普展览馆等场所的科普版模拟机，增加了一键自动加注粒子和演示量子算法功能，让高深的量子计算技术以直观、生动的形式呈现出来，在保证知识性和权威性的同时，让科普知识“动起来”，拉近民众与量子计算的距离。

面向科研人员的教学版模拟机可以帮助研究人员熟悉装置的结构和每个模块的功能（如光学模块，微博模块和磁场发生模块）、通过实验对量子比特的制备过程和量子比特与环境耦合过程有更直观的认识、手动进行拉比振荡实验和 T2 退相干实验、演示量子算法（如 Deutsch-Jozsa 算法）等。

启科量子一直专注于离子阱量子计算机的全栈式开发，在 2020 年启动了分布式离子阱量子计算机的研发，对离子阱芯片、精密激光系统、量子比特光电测控系统、高速电子时序与控制系统、量子编程语言、量子云、量子算法库、量子应用等各系统研发也在持续进行中。

研发离子阱教学模拟机既是公司量子计算研发规划的一部分，也是启科量子布局量子教育生态的重要一环，将于今年 7 月上线售卖，接下来启科量子将与高校、研发机构等开展合作，共同助力我国量子计算人才培养。

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