Nature重磅！全球首台98比特全连通离子阱量子计算机实现无损扩容

量子计算机要求高保真门操作与大规模比特数才能超过现有经典计算能力，离子阱虽有最佳的门保真度，但扩容并维持性能是离子阱的核心挑战。

6月17日，Quantinuum联合桑迪亚国家实验室在《Nature》上发表题为“A 98-qubit trapped-ion quantum computer with all-to-all connectivity”（具备全连通性的98量子比特离子阱量子计算机）的论文，正式对外公布Helios 98量子比特离子阱量子计算机的全部性能指标。

Helios是世界上首台基于¹³⁷Ba⁺（钡离子）、采用四路X型结QCCD架构、具备全连通性的98量子比特商用量子计算机，打破了离子阱系统的规模纪录，且用一组经过第三方方严格认证、具有保真度的成果数据，证明了“规模扩展不以牺牲性能为代价”的可行性。

具体在物理性能数据上，单比特门平均保真度99.9975%（误差率2.5×10⁻⁵）、两量子比特门平均保真度99.921%（误差率7.9×10⁻⁴）、态制备和测量（SPAM）误差率3.3×10⁻⁴，这些指标都没有达到基本原理极限，还有待进一步提高。随机线路采样实验证明它的计算复杂度已经显著大于经典模拟，打开了高保真、大规模量子计算的新方向。

同时，在该项合作中，桑迪亚国家实验室开创性地开发了量子计算机调试与评估方法，同时还给出了面向中路测量（MCMR）的无损读出测量的全新基准测试。测试结果显示，该系统的中路测量串扰非常小（1.3×10⁻⁵），成功解决了纠错过程中的噪声难题。

这些成功使Helios成为公司如今拥有的最大、最可靠的一个量子计算机。Quantinuum的首席架构师Tony Ransford说：“Helios的运行超越了单靠传统仿真的能力，并为量子计算机树立了新的保真度和复杂度标杆。”

QPU架构与离子阱设计

Helios本质上是一台基于输运（transport-based）的量子电荷耦合器件（QCCD）。

它的基本逻辑很容易理解，就是把量子存储和量子逻辑操作物理上分开。整颗QPU集成在一块二维表面电极芯片上，通过精密的电场囚禁带电离子，每个¹³⁷Ba⁺离子就是一个量子比特，利用基态超精细能级编码信息。

图：Helios 98量子比特离子阱量子计算机示意图

这一设计把芯片空间分成了量子逻辑区和存储区。

量子逻辑区共有8个独立的操作区，每个操作区最多可以操作16个量子比特，负责执行态制备、冷却，单双比特门和测量，为降低工程复杂性，8个区共享同一组激光光束资源。

而存储区分环形存储区、支腿存储区以及缓存区。其中，“环形存储区”的结构非常重要，98个量子比特中有82个存放在这里，通过一种独特的四路X型结与操作区相联。

这个四路X型结也是本设计的重点。离子晶体流过结区时，就能被精确路由到任意支腿，这使得Helios在98比特的规模下，依然保持了全连通性。

QCCD运行机制

Helios把量子程序的执行分为两种原子任务：离子输运和量子操作。离子在阱内的移动被分为进退、拆分/合并、结区输运和旋转四种基本动作。

在执行一个典型的量子线路层时，系统会启动一个精密流水线。先把所需要的量子比特从环形存储区取出，分批送进缓存区，然后送进逻辑区。这里最聪明的一点是“冷却和逻辑并行”。

我们知道，离子在输运过程中会被激发动能，要基态冷却才能实现高保真门操作，而冷却的时间常常比门操作要慢两个数量级。Helios的处理方案是，当当前一批量子比特正在逻辑区冷却或做运算时，下一批待处理的量子比特已经在缓存区完成了预排序。

这样的流水线模式可以掩去冷却造成的时间拖延，把系统的等效时钟频率推至一个全新的数量级。

图：QCCD芯片阱区设计与离子输运运行机制

实际测量中，执行一个包含随机配对单、双量子比特门的程序，Helios每层处理的平均时间约55毫秒。

此外，选用¹³⁷Ba⁺作为量子比特载体也是一个神来之笔。其逻辑跃迁在可见光波段，可以直接利用成熟的半导体激光器，相较于传统紫外光波段来说，便宜、稳定，也能够压制激光相位噪声，直接将双量子比特门保真度推高到了99.921%。

实时动态编译与Helios Runtime软件栈

长期以来，离子阱编程仍然处在“汇编语言”时代，用户需自己手动规划比较复杂的物理比特映射和输运路径。随着Helios出现的全新的软件层——Helios Runtime，彻底改变了这一切。

这是业界首个支持运行时实时动态编译的离子阱系统。它最大的特点就是，能够在程序运行期间、量子态依然存活的状态下，动态地把用户定义的虚拟量子比特映射到物理离子上。

这样的话，开发者即可像撰写经典高级语言那样撰写量子程序。他们可以直接用if-then-else、for、while这些经典控制流，甚至是基于线路中段测量（MCMR）的结果来动态选择下一步做什么。

这种从“静态汇编”到“带操作系统的动态执行”的飞跃，是量子纠错的前提。没有这种灵活的软件栈，所谓容错计算在纸上谈兵而已。

Helios Runtime所做的，就是把用户的逻辑门指令翻译成具体的激光脉冲和输运路径，最大程度地并行处理，把硬件性能推动到极致。

除此之外，Quantinuum的软件栈还支持工业标准的QIR（量子中间表示），可以使用NVIDIA CUDA-Q、Microsoft Q# 等工具让开发人员生成在Helios上运行的程序。

整机基准测试

数据是不会骗人的，特别是经过桑迪亚国家实验室第三方认证的。Helios的基准测试涵盖了从微观到宏观的全方位指标。

在组件级，单量子比特门的平均误操率低至2.5×10⁻⁵，保真度达到99.9975%；双量子比特门平均误操率为7.9×10⁻⁴，保真度99.921%；态制备与测量（SPAM）误操率也控制在3.3×10⁻⁴的水平。

更令人惊讶的是，双量子比特门误差经过循环基准测试分解，其Pauli误差分量完全与理论吻合，表明目前误差都是已知的、可压制的，没有发现未知的本征限制。

在系统级，Helios也经受住了考验。通过随机Clifford电路测试（包含中路测量，该系统的中路测量串扰非常小，为1.3×10⁻⁵），系统的整体衰减曲线与基于组件级级误差计算出的预测模型高度吻合。

这说明，这台机器基本没有奇怪的串扰或退相干源，它的性能是高度可预测的，这对于工业级应用至关重要。

图：Helios组件级与系统级基准测试结果

而在随机电路采样（RCS）测试中，Helios展现出了“量子优越性”。和上一代56量子比特的系统相比，Helios在98量子比特规模下的经典模拟计算复杂度呈指数上升。用行话讲，它进入了“经典不可有效模拟”的区域。

结语与展望

回顾整篇论文，Helios在五个方面实现了对前代产品的降维打击。

首先是¹³⁷Ba⁺量子比特带来的性能提升；其次是四路的X型结所实现的百比特级全连通；再者是存储和逻辑分离后的并行效率；然后有实时、动态的编译软件带来的易用性革命；最后有第三方认证的高保真度。

当然，Quantinuum并没有止步于此。论文里明明白白告诉我们，现在的双量子比特门的误差有近50％的下降空间，通过动态解耦和更快的输运波形，性能还会向上爬坡。

甚至站在更高的角度，这样的X型结架构为未来的容错量子计算机铺好了路。它预留出了足够多的物理空间去实现高效率纠错码、横向逻辑门、低开销的魔术态工厂等。

“对于当今的量子计算机，最重要的不是速度，而是可靠性。”桑迪亚实验室的专家Robin Blume-Kohout说，“我们与商业伙伴评估量子计算机的性能的各个方面，加快了量子超级计算机的诞生。”

[1]https://www.nature.com/articles/s41586-026-10676-4

[2]https://www.hpcwire.com/off-the-wire/sandia-and-quantinuum-report-high-fidelity-results-from-98-qubit-helios-quantum-system/