使用被困离子多能态实现高效量子算法

更聪明的量子比特，加速搜索

当今的量子计算机难以扩展，原因在于控制大量脆弱的量子比特在技术上要求极高。本文工作展示了一条不同的路径：不是增加更多的两能级量子比特（qubit），而是将更多信息封装到单个可以同时拥有多个能级的粒子中，称为“qudit”。借此，研究团队在仅用一枚被困离子上高精度运行了一个关键的量子搜索算法，暗示了更紧凑、更高效的量子机器的可能性。

从两能级比特到多能级态

大多数量子器件使用 qubit，像经典比特一样只有两个基本能级。但许多物理系统天然提供多于两个的内部态。qudit 使用 d 个能级而非仅两个，因此一个粒子可以替代多个 qubit。这种信息密度的提升可以减少完成给定任务所需的硬件，并减少粒子间那些复杂且易出错的操作。挑战在于如何精确地驱动和读出所有这些能级，以便运行真实的算法。

将单个离子当作微型量子数据架

作者使用了一枚钡离子（具体为 ¹³⁷Ba⁺），将其困在微加工芯片上方。得益于其内部结构，该离子有 24 个寿命较长的态可供选择。研究人员精心挑选了其中的五态和八态作为他们的 qudit，平衡三方面的需求：所选态之间的跃迁必须足够强，对磁场噪声不敏感，并且在频率上与可能导致泄漏的非目标态有良好分离。随后他们使用激光和射频脉冲对离子态进行制备与测量，确保态制备与读出误差足够小，以满足对量子算法苛刻的测试要求。

协调多音调以操纵 qudit

同时控制多个能级远比翻转单个 qubit 复杂得多。团队通过靠近离子的电极发送多达七个同步的射频音调。每个音调被调谐到相邻能级之间的一个特定跃迁。通过调节这些音调的强度和相位，他们有效地产生了一个跨越整个多能级系统的“类自旋”旋转。重要的是，使用该方案，任意期望的 qudit 操作可以由随能级数线性增长的脉冲数构成，而不是像更简单方法那样呈二次增长。他们先用谱学和 Rabi 振荡进行粗略校准，然后通过随机基准测试和数值优化细化脉冲设置，直到门误差降到最低。

在单个粒子内运行量子搜索

为了检验他们的控制能力，研究人员实现了 Grover 搜索算法——一个著名的量子例程，可在无序数据库中以比任何经典方法更少的步骤找到标记项。在这里，离子的不同能级代表数据库条目。算法先构造对所有 qudit 态的均匀叠加，然后重复施加两类操作：将标记态相位翻转的“oracle”和将其概率提升而牺牲其他态概率的“反射”。仅使用单 qudit 脉冲——没有任何纠缠门——他们在五态和八态的 qudit 上运行了单次 Grover 迭代。对于五态，算法成功率约为 96.8%，极接近理论最优值，且整体概率分布与理论的吻合度达到 99.9%。对于八态，成功率为 69%，仍然可与需要更多门的多 qubit 展示相竞争甚至更优。

性能受限原因与下一步

主要不完善之处来自退相干，即磁场波动慢慢破坏离子的脆弱叠加态，以及来自所选 qudit 之外的态的微小非目标激发。包含这些效应的模拟与观测到的性能相符，证实了控制方法本身是可靠的。作者认为，将若干中等大小的 qudit（例如每个具有五到十个能级）组合在多枚离子上，可以在不显著增加硬件成本的情况下支持更强大的算法。未来工作将侧重于设计高效的 qudit 间纠缠门，并探索这些高维单元如何简化纠错与大规模体系结构。

这对未来量子计算机意味着什么

对非专业读者而言，关键信息是：量子计算机并不一定要由相同的两能级单元构建。通过利用像 qudit 这样的多能级系统，工程师可以在更少的物理器件中装入更多计算能力，并减少脆弱的多粒子操作数量。这项研究表明，一枚被困离子 qudit 能以与基于 qubit 的方案相当或更优的性能运行一款旗舰量子搜索算法，同时使用更少的步骤。这是一个早期但有前景的演示，表明更聪明地利用量子态可能与简单地建造更大规模设备同样重要。

引用: Shi, X., Sinanan-Singh, J., Burke, T.J. et al. Efficient implementation of a quantum algorithm with a trapped ion qudit. Nat Commun 17, 1911 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68746-0

关键词: 被困离子多能态, Grover 搜索, 多能级量子系统, 量子算法, 量子硬件效率