雖然電子設備是靜態的——它們停留在制造的地方——但它們可以用來移動離子。這意味著，只要原子可以移動的軌道使它成為可能，任何兩個離子都可以靠近并糾纏在一起。這種全方位的連接可以更有效地實現直接在硬件量子比特上執行的算法，或者使用需要復雜連接幾何形狀的糾錯碼。這就是 Microsoft 使用 Quantinuum 機器演示基于 tesseract 的糾錯代碼的原因之一。

但是，排列軌道以便任意兩個量子比特可以彼此相鄰，可能會變得越來越復雜。移動離子是一個相對緩慢的過程，因此過于頻繁地從芯片的遠端檢索兩個離子可能會導致系統開始向上推量子比特的相干時間。從長遠來看，Quantinuum 計劃構建具有方形網格的芯片，讓人聯想到許多城市的街道布局。但這樣做需要掌握控制離子通過四向交叉點的流動。

這就是 Quantinuum 在其名為 Helios 的新芯片中部分所做的。它有一個連接兩個離子存儲區域的交叉點，從而能夠在離子從芯片的一端晃動到另一端時進行作。而且它配備了比早期硬件更多的量子比特，在不犧牲性能的情況下從 56 量子比特增加到 96 量子比特。“我們保留了甚至提高了兩個量子比特門的保真度，”Quantinuum 副總裁 Jenni Strabley 告訴 Ars。“因此，隨著我們越來越大的尺寸，我們沒有看到雙量子比特門保真度有任何下降。”

做循環

下圖是使用硬件本身原子的熒光拍攝的。如您所見，布局以兩個特征為主：左側的環和向右延伸的兩條腿。它們通過四向交叉路口連接。Quantinuum 的工作人員將這個交叉點描述為計算機作的核心。

該系統通過圍繞環路旋轉離子來工作。當離子到達交叉點時，系統會選擇是否將其踢到其中一條腿上，如果是，則選擇哪條腿。“我們幾乎像硬盤驅動器一樣旋轉那個環，真的，每當我們想要門控的離子靠近連接處時，就會發生一個決定：要么離子進入 [腿]， 或者它稍微轉了一圈，然后回到擂臺上，“Quantinuum 的計算設計和理論總監 David Hayes 說。“你可以只用幾個電極來做出這個決定，這些電極就在那里的那個 X 處。”

每個支路都有一個可以進行作的區域，因此該系統可以確保正確的量子比特一起存在于雙量子比特門等作區域中。作完成后，可以將量子比特移動到腿存儲區域，并可以打亂新的量子比特。當腿填滿時，可以將量子比特發送回循環，并重新啟動該過程。

“如果所有交通都單向通過登機口區域，那么交通擁堵就會減少，”海耶斯告訴 Ars。“如果你必須把它們移過彼此，你就必須進行某種物理交換，你想避免這種情況。”

顯然，除了最簡單的作之外，發出所有命令來控制硬件將是相當具有挑戰性的。這使得編譯器越來越受到重視，這些編譯器在您希望量子計算機執行的作和實現它所需的實際硬件命令之間添加了重要的抽象層。Quantinuum 開發了自己的編譯器來獲取用戶生成的代碼并生成控制系統可以轉換為所需命令序列的內容。

控制系統現在包含一個實時引擎，可以從 Helios 讀取數據并根據量子比特的狀態更新它發出的命令。Quantinuum 的這一部分系統運行在 GPU 上，而不需要定制硬件。

Quantinuum 的用戶 SDK 稱為 Guppy，基于 Python，經過修改，允許用戶描述他們希望系統執行的作。Helios 伴隨著新版本的 Guppy，其中包括一些傳統的編程工具，如 FOR 循環和基于 IF 的條件。這些對于我們在邁向糾錯量子比特時想要做的事情至關重要。這包括測試錯誤、修復錯誤（如果存在）或反復嘗試初始化，直到成功而沒有錯誤。

海耶斯說，新版本也在朝著糾錯的方向發展。由于 Guppy 能夠動態重新分配量子比特，Helios 將能夠作為具有 94 個量子比特的機器運行，同時檢測其中任何一個量子比特的錯誤。或者，可以將 96 個硬件量子比特配置為托管 48 個糾錯量子比特的單個單元。“這實際上是一個串聯的代碼，”海耶斯告訴 Ars。“你把兩個錯誤檢測代碼編織在一起......它是一個代碼塊，但它內部裝有 48 個邏輯肘。（海耶斯說這是一個距離四代碼，這意味著它最多可以修復同時發生的兩個錯誤。

解決超導問題

雖然與大多數競爭對手相比，Quantinuum 硬件的錯誤率一直很低，但 56 個量子比特只能做這么多。現在有 96 個可供使用，該公司的研究人員決定構建一個模型的量子實現（稱為費米-哈伯德模型），旨在幫助研究向超導過渡過程中發生的電子配對。

“肯定有一些術語是模型沒有捕捉到的，”Quantinuum 的 Henrik Dreyer 承認。“它們忽略了 [電子] 仍然具有的電排斥力——我的意思是，它們仍然帶負電;他們仍然排斥。肯定有一些模型沒有捕獲的術語。另一方面，我應該說這個費米-哈伯德模型——它具有超導體所具有的許多特征。

當電子結合形成所謂的庫珀對，克服其正常排斥力時，就會發生超導性。該模型可以將其與相同材料的正常電導率區分開來。

“你問一個問題，'其中一個帶電粒子由于量子漲落而自發消失并到達這里的可能性有多大？'德雷爾說，描述了模擬導體時會發生什么。“人們在超導方面所做的是他們采用這個概念，但他們不是問單電荷粒子自發隧道的可能性有多大，而是問一對自發隧道的機會有多大？”

然而，即使采用簡化形式，它仍然是量子系統的模型，并具有隨之而來的所有計算復雜性。因此，Quantinuum 團隊對一些經典計算機難以處理的系統進行了建模。一個只是查看比大多數經典模擬更大的原子網格;另一個將網格擴展到一個額外的維度，對材料層進行建模。也許最復雜的模擬涉及當正確波長的激光脈沖在室溫下撞擊超導體時會發生什么，這一事件會短暫地誘發超導狀態。

即使沒有糾錯，系統也會產生結果。“這可能是一個技術點，但我認為這是非常重要的技術點，那就是我們運行的賽道，它們都有錯誤，”德雷爾告訴 Ars。“也許平均有三個左右的錯誤，并且由于某種原因，對于這個應用程序來說，這還不是很完全理解，這并不重要。在其中一些情況下，你仍然會得到幾乎完美的結果。

也就是說，他還表示，擁有更高保真度的硬件將有助于團隊更好地將系統置于基態或運行更長時間的模擬。但這些將不得不等待未來的硬件。

下一步

如果您查看 Quantinuum 未來硬件的路線圖，Helios 似乎是同類產品中的最后一款。它和早期版本的處理器具有環路和大直線延伸;未來的一切都以正方形網格為特色。但 Strabley 和 Hayes 都表示，Helios 有幾個關鍵的過渡特征。“這些離子在循環過程中會多次穿過該結，”Strabley 告訴 Ars。“因此，它確實使我們能夠提高結點的可靠性，這將轉化為大型系統。”

在未來處理器中看到的正方形集合也將允許使用 Helios 的環和腿完成相同類型的作。一些方塊在存儲和排序方面可以相當于一個循環，而附近的一些直線則可用于作。

“它們的共同點是一般概念，即你可以有一個存儲和分揀區域，然后在側面設置門控區域，它們彼此分開，”海耶斯說。“它還沒有公開，但這就是我們前進的方向：一個存儲區域，您可以在其中在這些 2D 網格中進行非常快速的排序，然后對具有可并行邏輯作的門控區域進行分類。”

與此同時，我們可能會看到對 Helios 的改進——這些想法并沒有完全出現在今天的發布中。“人們總是想再做一項改進，而我就是那個說，'不，我們現在就要走的人。把它放到市場上，人們就會去使用它，'“斯特拉布利說。“因此，我們將添加一長串東西來提高性能。因此，預計在 Helios 的過程中，性能會變得越來越好。

這種性能可能會用于在超導性或谷歌最近描述的算法方面所做的那種初始工作，該算法達到或略超出經典計算機的管理能力，并可能開始提供一些有用的見解。但我們還需要一兩代人才能開始看到量子計算實現其一些承諾。