全球最大离子阱量子计算机Helios，垄断QCCD赛道

离子阱量子计算的QCCD（Quantum Charge-Coupled Device，量子电荷耦合器件）架构是目前公认实现大规模、高保真度量子计算的核心路线之一。目前，离子阱QCCD路线已从原理验证进入工程实践阶段。

美国Quantinuum公司作为该领域的领头羊，在2024至2025年间技术持续突破，于2025年11月推出了第三代QCCD离子阱量子计算机Helios。

Helios包含98个全连通量子比特，单比特门保真度99.9975%，双比特门保真度99.921%。这么多的量子比特使其成为迄今为止建造的最大的离子阱量子计算机。

QCCD架构

离子阱量子计算目前有两条主要的技术路线，分别是宏观离子阱和QCCD。宏观离子阱是在单一势阱中囚禁多个离子，包括一维离子链和二维平面离子构型；QCCD架构是基于多势阱阵列的架构，每个势阱中囚禁少数离子，从而实现量子比特规模扩展。

Helios采用的就是QCCD（量子电荷耦合器件）架构，发明于2002年，其中包含用于存储和处理量子信息的独立区域。它类似于传统计算机的架构，后者包含用于存储的存储器（硬盘驱动器、固态硬盘）和独立的处理器（CPU、GPU）。

Helios的特定几何形状类似于玫瑰花结，其中环用于存储，两条流线用于处理。关键元件是它们交汇的四向X形结。QCCD通过电信号将带电物体（离子）从存储区域传输到处理区域。

处理过程使用激光脉冲完成。这就需要将量子算法分解为离子传输和量子处理两个步骤。这与其他量子计算架构（例如超导量子比特）有很大不同，在超导量子比特中，量子比特在空间中是固定的，处理是通过随时间开关的电信号来实现的。

这里需要清楚的事，离子本身不会隔空完成纠缠，QCCD的实现方式是依靠电场改变势阱位置，把需要相互作用的离子物理搬运到专门的操作区域，执行激光操控完成纠缠门，运算结束后，离子再被送回环形存储区保存。

整个逻辑和经典计算机CPU与内存交互高度相似。存储区负责保存量子比特，运算在独立逻辑区完成，存储和计算在物理空间上分离，这也是QCCD架构设计的底层逻辑。

三大优势

因此，把QCCD架构应用于量子计算主要有三大优势。

门是量子电路的基本组成单元，对量子比特进行操作。QCCD方法的优势之一在于，操作某些量子比特的门不会影响其相邻量子比特。这减少了被称为“串扰”的现象，从而提高了计算性能。

第二个优势是能够在计算过程中测量和重置量子比特。这使得计算中不可避免的错误能够尽早被检测和纠正，从而再次提升性能。

最后，由于量子比特在处理后（在一定限制范围内）可以从内存的不同位置访问和返回，因此可以连接相距较远的量子比特，从而实现更高效的运算。

Helios器件展现了以上所有优势。它依赖于两项重大进步，一项是硬件方面的，一项是软件方面的。

首先，四路X形连接使系统能够同时处理多个任务，而非一次只处理一个，速度大大提升。这在早期的QCCD机器中是无法实现的，因为它们只能在单行或单环中来回传输数据。

其次，巧妙利用X形连接两个维度所提供的自由度，依赖于一种名为Helios运行时的新型经典控制软件，该软件能够规划出传输和处理数据的最智能、最快捷的路径。

这些共同代表了量子计算机工程领域的重大进步。一个重要的成果是，Helios能够在合理的时间和能耗范围内，完成即使是使用已知方法的最大的超级计算机也无法完成的计算。

计算能力

这表明Helios及其后续设备有能力超越传统计算机的计算能力，尽管传统计算机的算法和硬件也在快速发展。

话虽如此，Helios的计算仅仅是随机的基准测试，因此这一飞跃的实际意义仍然有限。为了在科学和商业领域进行具有实际意义的量子计算，即使是最乐观的估计也表明，量子计算机必须规模更大、性能更强，达到百万量子比特的量级。

英国国家量子战略任务计划建造一台具有万亿次运算能力的容错量子计算机。作为参考，Helios运行的最长计算大约使用了98个量子比特，进行了约4000次运算。

利用Helios设备或任何其他已知架构或系统构建容错量子计算机仍然是一项艰巨的挑战。正如数字所示，这需要通过量子链路连接数千个QCCD器件，每个器件都包含数千个量子比特。

目前设想的QCCD器件采用二维网格布局，类似于城市街道，可以处理数千个甚至更多的量子比特。然而，设计和运行这样一个包含大量连接点以及由此产生的量子比特拥堵（类似于交通堵塞）的系统，其必然挑战尚未出现，更遑论克服。

量子比特的物理传输也是一个非常缓慢的过程，因为它需要非常精确的电压，而随着器件尺寸和量子比特数量的增加，这一过程只会更加缓慢。

目前，Helios器件是量子计算领域一项令人振奋的进展。无论未来的容错量子计算最终以何种形式出现，它们都将涉及由智能软件辅助的、经过精心设计的量子硬件器件。

国内外视野

目前国际上处在QCCD路线第一梯队的绝对垄断者是Quantinuum，其母公司霍尼韦尔在航空航天领域的深厚积累，为其提供了超一流的精密控制、低温工程和MEMS制造能力，这是其他初创公司难以企及的工程壁垒。

此外，Quantinuum在2026年6月成功登陆纳斯达克，成为首家传统IPO的量子计算公司，其上市前融资估值已达百亿美元量级。

另一家离子阱巨头IonQ早期主要关注宏观离子阱，但目前已经通过可重构多核量子架构（RMQA）切入了QCCD技术路线，RMQA技术将一个大的离子阱芯片分成多个核，每个核包含一条较短的离子链（通常为16-32个离子）。

IonQ于2025年通过并购英国离子阱量子计算公司Oxford lonics、晶圆代工公司SkyWater、光学互连公司Lightsynq等，加速关键技术攻关，其基于近场微波控制的量子门，单比特量子门保真度可达到99.99916(7)%，双比特量子门达到了99.97(1)%。

反观国内，客观来讲，我们在QCCD领域的底层根技术与国际第一阵营仍存在明显的代差，但追赶势能强劲。

我国科研院所中，国防科技大学陈平形团队最早开展QCCD离子阱研发，2014年至今在芯片制备和多离子囚禁上已有研发基础；清华大学段路明院士团队在QCCD技术路线上有一定研究但目前未公开发表研究成果，其团队主要技术路线在低温宏观离子阱系统；北京量子院/人民大学张威团队在QCCD的芯片制备、系统搭建、离子输运等方面进行了一定的探索。

目前，国内仅合肥幺正量子等少数公司在公开宣称对标QCCD路线，并完成了12比特全联通操控和QV32的验证，但其商业化和规模化进程仍处于追赶期。

还有一点值得关注的是，QCCD芯片要求极低的表面异常发热（Anomalous Heating）和极高的抗表面电荷干扰能力，这依赖于极高水准的微纳加工工艺。目前国内用于此种特殊量子硬件的专用代工及检测体系尚不健全，极大地制约了QCCD架构芯片的快速迭代。

总之，我国在QCCD技术路线上与美国仍存在技术差距。

国外已进入50-100比特的商用阶段，国内仍在开展20-30比特系统的研究。国内外差距主要体现在高性能二维扩展离子阱芯片制备、高精度离子输运控制、低温及真空环境的系统鲁棒性等。显然，国内至少还有三到五年的底层供应链补齐周期。

[1]https://theconversation.com/the-global-race-to-make-a-practical-quantum-computer-just-took-a-big-leap-forward-286387

[2]https://theconversation.com/a-new-quantum-computer-sets-a-high-watermark-for-accuracy-are-we-on-the-verge-of-a-big-breakthrough-285753

[3]https://mp.weixin.qq.com/s/0vg_MQzKnFSFwHKeDrMQOg?token=1746683566&lang=zh_CN

[4]https://36kr.com/p/3743360666566919