RSS-ленты
РусскийEnglish
Выпуск 11, 2025
Том год страница
Выпуски Авторы PACS Подписчикам Для авторов

Выпуски

 / 

2025

 / 

Июнь

←  →

Конференции и симпозиумы


Квантовые вычисления на  ионах в ловушках: принципы, достижения и перспективы

 а, б,  а, б,  а, б,  а, б,  а, б,  а, б,  а, б,  а, б,  а, б,  а, б,  а, б,  а, б, †  а, б
а Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, Ленинский проспект 53, Москва, 119991, Российская Федерация
б Международный центр квантовой оптики и квантовых технологий (Российский квантовый центр), Территория Инновационного Центра "Сколково", Большой бульвар д. 30, стр. 1, 3 этаж, секторы G3, G7, Москва, Московская обл., 121205, Российская Федерация

Ультрахолодные ионы являются одной из наиболее успешно развивающихся физических платформ в области квантовых вычислений:  высокое время когерентности и качество операций обеспечили на сегодняшний день лидерство по показателю квантового объёма  (221) по  сравнению с другими системами, например сверхпроводниковой платформой (максимально продемонстрированный квантовый объём 29). На ионных квантовых вычислителях выполнены самые глубокие на сегодняшний день бенчмаркинговые алгоритмы и успешно продемонстрированы алгоритмы коррекции ошибок, что открывает перспективу перехода из сегодняшней эры "шумных квантовых процессоров" (NISQ) в следующую эпоху.  В России направление  ионных квантовых компьютеров начало активно развиваться с появлением Дорожной карты "Квантовые вычисления", стартовавшей в 2020 г. В данном обзоре представлены основные принципы работы ионного квантового компьютера, обзор современных мировых достижений в этой области, а также основные результаты нашей группы, полученные в ходе реализации Дорожной карты.

Текст pdf (5 Мб)
English fulltext is available at DOI: 10.3367/UFNe.2024.12.039884
Ключевые слова: квантовые вычисления, ионы, ловушка Пауля, кудиты, квантовый компьютер, поверхностные ловушки
PACS: 03.67.−a, 03.67.Lx, 32.30.−r, 37.10.De, 37.10.Ty, 42.62.Fi (все)
DOI: 10.3367/UFNr.2024.12.039884
URL: https://ufn.ru/ru/articles/2025/6/c/
001570951300002
2-s2.0-105011687031
2025PhyU...68..552Z
Цитата: Заливако И В, Семенин Н В, Жаднов Н О, Галстян К П, Каменских П А, Смирнов В Н, Корольков А Е, Сидоров П Л, Борисенко А С, Аносов Ю П, Семериков И А, Хабарова К Ю, Колачевский Н Н "Квантовые вычисления на  ионах в ловушках: принципы, достижения и перспективы" УФН 195 585–620 (2025)
BibTexBibNote ® (generic)BibNote ® (RIS)MedlineRefWorks

Поступила: 9 декабря 2024, 9 декабря 2024

English citation: Zalivako I V, Semenin N V, Zhadnov N O, Galstyan K P, Kamenskikh P A, Smirnov V N, Korolkov Andrey Evgenyevich, Sidorov Pavel Leonidovich, Borisenko A S, Anosov Yu P, Semerikov I A, Khabarova K Yu, Kolachevsky N N “Quantum computing with trapped ions: principles, achievements, and prospects” Phys. Usp. 68 552–583 (2025); DOI: 10.3367/UFNe.2024.12.039884

Список литературы (216) ↓ Статьи, ссылающиеся на эту (3) Похожие статьи (20)

  1. The Nobel Prize in Physics 2012, https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2012/summary/
  2. DiVincenzo D P Mesoscopic Electron Transport (NATO ASI Ser. E) Vol. 345 (Eds L L Sohn, L P Kouwenhoven, G Schön) (Dordrecht: Springer, 1997) p. 657
  3. Манин Ю И Вычислимое и невычислимое (М.: Сов. радио, 1980)
  4. Benioff P J. Stat. Phys. 22 563 (1980)
  5. Feynman R P Int. J. Theor. Phys. 21 467 (1982)
  6. Moses S A et al Phys. Rev. X 13 041052 (2023)
  7. Pogorelov I et al PRX Quantum 2 020343 (2021)
  8. Abdurakhimov L "Technology and performance benchmarks of IQM's 20-qubit quantum computer" arXiv:2408.12433
  9. Acharya R et al (Google Quantum AI and Collab.) Nature 638 920 (2025); Acharya R et al (Google Quantum AI and Collab.) arXiv:2408.13687
  10. Chen J et al "Benchmarking a trapped-ion quantum computer with 30 qubits" arXiv:2308.05071
  11. IBM Quantum Platform (Accessed: 2024-10-15), https://quantum.ibm.com/, (Облачная платформа IBM)
  12. Cirq. An open source framework for programming quantum computers (Accessed: 2024-10-15), https://quantumai.google/cirq, (Облачная платформа Google cirq)
  13. Microsoft Azure (Accessed: 2024-10-15), https://azure.microsoft.com, (Облачная служба Azure Quantum)
  14. Лидирующий исследовательский центр. Квантовые вычисления (Accessed: 2024-10-15), https://qexplore-staging.lrc-quantum.ru, (Облачная платформа ЛИЦ)
  15. Cirac J I, Zoller P Phys. Rev. Lett. 74 4091 (1995)
  16. Leibfried D et al Rev. Mod. Phys. 75 281 (2003)
  17. Paul W, Steinwedel H Z. Naturforsch. A 8 448 (1953)
  18. Penning F M Physica 3 873 (1936)
  19. Hänsch T W, Schawlow A L Opt. Commun. 13 68 (1975)
  20. Wang P et al Nat. Commun. 12 233 (2021)
  21. Pino J M et al Nature 592 209 (2021)
  22. Stephenson L J et al Phys. Rev. Lett. 124 110501 (2020)
  23. Happer W Rev. Mod. Phys. 44 169 (1972)
  24. Harty T P et al Phys. Rev. Lett. 113 220501 (2014)
  25. Löschnauer C M et al "Scalable, high-fidelity all-electronic control of trapped-ion qubits" arXiv:2407.07694
  26. Lekitsch B et al Sci. Adv. 3 1601540 (2017); Lekitsch B et al arXiv:1508.00420
  27. Sørensen A, Mуlmer K Phys. Rev. Lett. 82 1971 (1999); Sørensen A, Mуlmer K quant-ph/9810039
  28. Baldwin C H et al Phys. Rev. A 103 012603 (2021)
  29. Nikolaeva A S et al "Scalable improvement of the generalized Toffoli gate realization using trapped-ion-based qutrits" arXiv:2407.07758
  30. Fang C et al "Realization of scalable Cirac-Zoller multi-qubit gates" arXiv:2301.07564
  31. Turchette Q A et al Phys. Rev. Lett. 81 3631 (1998)
  32. Schmidt-Kaler F et al Nature 422 408 (2003)
  33. Monroe C et al Phys. Rev. Lett. 75 4011 (1995)
  34. Turchette Q A et al Phys. Rev. A 61 063418 (2000); Turchette Q A et al quant-ph/0002040
  35. Lakhmanskiy K et al Phys. Rev. A 99 023405 (2019)
  36. Blümel R et al Phys. Rev. A 40 808 (1989)
  37. Benhelm J et al Phys. Rev. A 77 062306 (2008)
  38. Greenberger D M, Horne M A, Zeilinger A "Going beyond Bell's theorem" Bell's Theorem, Quantum Theory and Conceptions of the Universe (Fundamental Theories of Physics) Vol. 37 (Ed. M Kafatos) (Dordrecht: Springer, 1989) p. 69
  39. Leibfried D et al Nature 422 412 (2003)
  40. Leibfried D et al Science 304 1476 (2004)
  41. Barrett M D et al Phys. Rev. A 68 042302 (2003); Barrett M D et al quant-ph/0307088
  42. Schmidt P O et al Science 309 749 (2005)
  43. Brewer S M et al Phys. Rev. Lett. 123 033201 (2019); Brewer S M et al arXiv:1902.07694
  44. Micke P et al Nature 578 60 (2020)
  45. Brickman K-A et al Phys. Rev. A 72 050306 (2005)
  46. Blatt R, Roos C F Nature Phys. 8 277 (2012); Johanning M, Varón A, Wunderlich C J. Phys. B 42 154009 (2009); Johanning M, Varón A, Wunderlich C arXiv:0905.0118
  47. Lanyon B P et al Science 334 57 (2011)
  48. Monz T et al Phys. Rev. Lett. 106 130506 (2011)
  49. Zhang J et al Nature 551 601 (2017)
  50. Guo S-A et al "A site-resolved 2d quantum simulator with hundreds of trapped ions" arXiv:2311.17163
  51. Zhu S-L, Monroe C, Duan L-M Phys. Rev. Lett. 97 050505 (2006)
  52. Choi T et al Phys. Rev. Lett. 112 190502 (2014)
  53. Debnath S et al Nature 536 63 (2016); Debnath S et al arXiv:1603.04512
  54. Bluvstein D et al Nature 626 58 (2024)
  55. Wineland D J et al J. Res. Natl. Inst. Stand. Technol. 103 259 (1998)
  56. Kielpinski D, Monroe C, Wineland D J Nature 417 709 (2002)
  57. Lobser D L et al "Precision control of ions in Sandia's HOA Trap" Technical Report SAND2019-11932C (Albuquerque, NM: Sandia National Lab., 2019)
  58. Lobser D L et al "Quantum and classical control of ions in Sandia's HOA Trap" Technical Report SAND2017-8584C (Albuquerque, NM: Sandia National Lab., 2017)
  59. Moehring D L et al New J. Phys. 13 075018 (2011); Moehring D L et al arXiv:1105.1834
  60. Shu G et al Phys. Rev. A 89 062308 (2014)
  61. Maunz P L et al "Ion traps for logical qubits" Technical Report SAND2017-1453C (Albuquerque, NM: Sandia National Lab., 2017)
  62. Cross A W et al Phys. Rev. A 100 032328 (2019); Cross A W et al arXiv:1811.12926
  63. Aaronson S, Chen L "Complexity-theoretic foundations of quantum supremacy experiments" arXiv:1612.05903
  64. Quantinuum extends its significant lead in quantum computing, achieving historic milestones for hardware fidelity and Quantum Volume, https://www.quantinuum.com/blog/quantinuum-extends-its-significant-lead-in-quantum-computing-achieving-historic-milestones-for-hardware-fidelity-and-quantum-volume
  65. Zalivako I V et al Front. Quantum Sci. Technol. 2 1228208 (2023)
  66. Zalivako I V et al Quantum Rep. 7 (2) 19 (2025); Zalivako I V et al arXiv:2402.03121
  67. Заливако И В и др Письма в ЖЭТФ 114 53 (2021); Zalivako I V et al JETP Lett. 114 59 (2021)
  68. Zalivako I V et al "Supervised binary classification of small-scale digits images with a trapped-ion quantum processor" arXiv:2406.12007
  69. Nikolaeva A S, Kiktenko E O, Fedorov A K Phys. Rev. A 109 022615 (2024)
  70. Podlesnyy A et al "Parallel coupling of trapped ions in multiple individual wells" arXiv:2211.07121v1, (14 Nov. 2022); https://arxiv.org/pdf/2211.07121v1
  71. Anikin E et al Phys. Rev. A 108 022402 (2023)
  72. Aksenov M A et al Phys. Rev. A 107 052612 (2023)
  73. Kazmina A S et al Phys. Rev. A 109 032619 (2024)
  74. Floquet G Ann. Sci. l'École Normale Supérieure 2 12 47 (1883)
  75. Brouard S, Plata J Phys. Rev. A 63 043402 (2001)
  76. Dubin D H E Phys. Rev. Lett. 71 2753 (1993)
  77. Manning T A "Quantum information processing with trapped ion chains" PhD Thesis (College Park, MD: Univ. of Maryland, 2014); https://duke.app.box.com/s/7425eold3cfnodaklmec52xcp62kgtxs
  78. James D F V Appl. Phys. B 66 181 (1998)
  79. Schmidt-Kaler F et al Appl. Phys. B 77 789 (2003)
  80. Pagano G et al Quantum Sci. Technol. 4 014004 (2019)
  81. Monroe C et al Phys. Rev. A 89 022317 (2014)
  82. Rowe M A et al Quantum Inform. Comput. 2 (4) 257 (2002)
  83. Chiaverini J et al Quantum Inform. Comput. 5 419 (2005)
  84. Seidelin S et al Phys. Rev. Lett. 96 253003 (2006)
  85. House M G Phys. Rev. A 78 033402 (2008)
  86. Littich G "Electrostatic control and transport of ions on a planar trap for quantum information processing" Master's Thesis (Berkeley, CA: Univ. of California, 2011)
  87. Kaushal V et al AVS Quantum Sci. 2 014101 (2020)
  88. Kaufmann H et al Phys. Rev. A 95 052319 (2017)
  89. Brownnutt M et al Rev. Mod. Phys. 87 1419 (2015)
  90. Brown K R et al Nat. Rev. Mater. 6 892 (2021)
  91. Romaszko Z D et al Nat. Rev. Phys. 2 285 (2020)
  92. Bruzewicz C D et al Appl. Phys. Rev. 6 021314 (2019)
  93. Revelle M C "Phoenix and peregrine ion traps" arXiv:2009.02398
  94. Gerasin I et al Quantum Rep. 6 442 (2024)
  95. Suleimen Y et al Phys. Rev. A 109 022605 (2024)
  96. Abbasov T, Zibrov S, Sherstov I Письма в ЖЭТФ 118 212 (2023); Abbasov T, Zibrov S, Sherstov I JETP Lett. 118 215 (2023)
  97. Ryan-Anderson C et al Phys. Rev. X 11 041058 (2021)
  98. Ballance T G et al Rev. Sci. Instrum. 89 053102 (2018)
  99. Leibrandt D R et al Phys. Rev. A 76 055403 (2007)
  100. DeVoe R G, Kurtsiefer Ch Phys. Rev. A 65 063407 (2002)
  101. Daniilidis N et al New J. Phys. 13 013032 (2011)
  102. Krutyanskiy V et al Phys. Rev. Lett. 130 050803 (2023)
  103. Lucas D M et al Phys. Rev. A 69 012711 (2004)
  104. Kjærgaard N et al Appl. Phys. B 71 207 (2000)
  105. Gulde S et al Appl. Phys. B 73 861 (2001)
  106. Wells J E et al Phys. Rev. A 95 053416 (2017)
  107. Cetina M et al Phys. Rev. A 76 041401 (2007)
  108. Lucas D M et al "A long-lived memory qubit on a low-decoherence quantum bus" arXiv:0710.4421
  109. Wright K et al Nat. Commun. 10 5464 (2019)
  110. Leu A D et al Phys. Rev. Lett. 131 120601 (2023)
  111. Nikolaeva A S, Kiktenko E O, Fedorov A K EPJ Quantum Technol. 11 43 (2024)
  112. Ralph T C, Resch K J, Gilchrist A Phys. Rev. A 75 022313 (2007)
  113. Nikolaeva A S, Kiktenko E O, Fedorov A K Phys. Rev. A 105 032621 (2022)
  114. Nikolaeva A S, Kiktenko E O, Fedorov A K Entropy 25 387 (2023)
  115. Low P J, White B, Senko C "Control and readout of a 13-level trapped ion qudit" arXiv:2306.03340
  116. Ruster T et al Appl. Phys. B 122 254 (2016)
  117. Blakestad R B et al Phys. Rev. A 84 032314 (2011)
  118. Merkel B et al Rev. Sci. Instrum. 90 044702 (2019)
  119. Viola L, Lloyd S Phys. Rev. A 58 2733 (1998)
  120. Valahu C H et al J. Phys. B 55 204003 (2022)
  121. Ringbauer M et al Nat. Phys. 18 1053 (2022)
  122. Olmschenk S et al Phys. Rev. A 76 052314 (2007)
  123. Christensen J E et al npj Quantum Inform. 6 35 (2020)
  124. An F A et al Phys. Rev. Lett. 129 130501 (2022)
  125. Crain S et al Commun. Phys. 2 97 (2019)
  126. Заливако И В и др Квантовая электроника 47 426 (2017); Zalivako I V et al Quantum Electron. 47 426 (2017)
  127. Koo K et al Phys. Rev. A 69 043402 (2004)
  128. Sugiyama K Jpn. J. Appl. Phys. 38 2141 (1999)
  129. Goodwin J F et al Phys. Rev. Lett. 116 143002 (2016)
  130. Han D-J et al Phys. Rev. Lett. 85 724 (2000)
  131. Che H et al Phys. Rev. A 96 013417 (2017)
  132. Сидоров П Л и др Краткие сообщения по физике ФИАН (4) 46 (2019); Sidorov P L et al Bull. Lebedev Phys. Inst. 46 138 (2019)
  133. Семенин Н В и др Письма в ЖЭТФ 116 74 (2022); Semenin N V et al JETP Lett. 116 77 (2022)
  134. King B E et al Phys. Rev. Lett. 81 1525 (1998)
  135. Roos Ch et al Phys. Rev. Lett. 83 4713 (1999)
  136. Letchumanan V et al Phys. Rev. A 75 063425 (2007)
  137. Chen J-S et al Phys. Rev. A 102 043110 (2020)
  138. Lechner R et al Phys. Rev. A 93 053401 (2016)
  139. Zhang J et al Phys. Rev. Applied 18 014022 (2022)
  140. Lin Y et al Phys. Rev. Lett. 110 153002 (2013)
  141. Jordan E et al Phys. Rev. Lett 122 053603 (2019)
  142. Semerikov I A et al J. Russ. Laser Res. 39 568 (2018)
  143. Feng L et al Phys. Rev. Lett. 125 053001 (2020)
  144. Mao Z-C et al Phys. Rev. Lett. 127 143201 (2021)
  145. Wübbena J B et al Phys. Rev. A 85 043412 (2012)
  146. Barrett M D et al Phys. Rev. A 68 042302 (2003)
  147. Yum D et al J. Korean Phys. Soc. 77 1143 (2020)
  148. Tanaka U et al Appl. Phys. B 121 147 (2015)
  149. Cui K et al J. Phys. B 51 045502 (2018)
  150. Todaro S L et al Phys. Rev. Lett. 126 010501 (2021)
  151. Семенин Н В и др Письма в ЖЭТФ 114 553 (2021); Semenin N V et al JETP Lett. 114 486 (2021)
  152. Chen J-S et al Quantum 8 1516 (2024)
  153. Quantinuum System Model H2. Product Data Sheet, Version 2.00, October 15, 2024, https://docs.quantinuum.com/systems/data_sheets/Quantinuum%20H2%20Product%20Data%20Sheet.pdf
  154. Myerson A H et al Phys. Rev. Lett. 100 200502 (2008); Myerson A H et al arXiv:0802.1684
  155. Hampel B et al Appl. Phys. Lett. 122 174001 (2023)
  156. Nielsen M A, Chuang I L Quantum Computation and Quantum Information (Cambridge: Cambridge Univ. Press, 2010)
  157. Srinivas R et al Nature 597 209 (2021)
  158. Johanning M et al Phys. Rev. Lett. 102 073004 (2009)
  159. Abdel-Hafiz M et al "Guidelines for developing optical clocks with 10−18 fractional frequency uncertainty" arXiv:1906.11495
  160. Lee P J et al J. Opt. B 7 (10) S371 (2005)
  161. McKay D C et al Phys. Rev. A 96 022330 (2017)
  162. Hrmo P et al Nat. Commun. 14 2242 (2023)
  163. Riebe M et al Phys. Rev. Lett. 97 220407 (2006)
  164. Mohseni M, Rezakhani A T, Lidar D A Phys. Rev. A 77 032322 (2008)
  165. Knill E et al Phys. Rev. A 77 012307 (2008)
  166. Arute F et al Nature 574 505 (2019)
  167. Greenbaum D "Introduction to quantum gate set tomography" arXiv:1509.02921
  168. Campbell W C et al Phys. Rev. Lett. 105 090502 (2010)
  169. Smith M C et al "Single-qubit gates with errors at the 10−7 level" arXiv:2412.04421
  170. Bermudez A et al Phys. Rev. X 7 041061 (2017)
  171. Ballance C J et al Phys. Rev. Lett. 117 060504 (2016)
  172. Gaebler J P et al Phys. Rev. Lett. 117 060505 (2016)
  173. Keselman A et al New J. Phys. 13 073027 (2011)
  174. Ospelkaus C et al Nature 476 181 (2011)
  175. Shappert C M et al New J. Phys. 15 083053 (2013)
  176. Brown K R et al Phys. Rev. A 84 030303 (2011)
  177. Hahn E L Phys. Rev. 80 580 (1950)
  178. Roos C F New J. Phys. 10 013002 (2008)
  179. Wimperis S J. Magn. Reson. A 109 221 (1994)
  180. Brown K R, Harrow A W, Chuang I L Phys. Rev. A 70 052318 (2004)
  181. Low G H, Yoder T J, Chuang I L Phys. Rev. A 89 022341 (2014)
  182. Cummins H K, Llewellyn G, Jones J A Phys. Rev. A 67 042308 (2003)
  183. Bando M et al J. Phys. Soc. Jpn. 82 014004 (2013)
  184. Kabytayev C et al Phys. Rev. A 90 012316 (2014)
  185. Paz-Silva G A, Viola L Phys. Rev. Lett. 113 250501 (2014)
  186. Ball H, Biercuk M J EPJ Quantum Technol. 2 11 (2015)
  187. Mount E et al Phys. Rev. A 92 060301 (2015)
  188. Soare A et al Nature Phys. 105 825 (2014)
  189. DiVincenzo D P Fortschr. Phys. 48 771 (2000)
  190. Diedrich F et al Phys. Rev. Lett. 62 403 (1989)
  191. Morigi G, Eschner J, Keitel C H Phys. Rev. Lett. 85 4458 (2000)
  192. Evers J, Keitel C H Europhys. Lett. 68 370 (2004)
  193. Kranzl F et al Phys. Rev. A 105 052426 (2022)
  194. Wang K et al Quantum Sci. Technol. 7 044005 (2022)
  195. Gunton W, Semczuk M, Madison K M Opt. Lett. 40 4372 (2015)
  196. Aolita L et al Phys. Rev. A 76 040303 (2007)
  197. Blinov B B et al Quantum Inform. Process. 3 45 (2004)
  198. Sackett C A et al Nature 404 256 (2000)
  199. IonQ Forte, https://ionq.com/quantum-systems/forte
  200. Erhard A et al Nat. Commun. 10 5347 (2019)
  201. Zhang S et al Nat. Commun. 11 587 (2020)
  202. Schäfer V M et al Nature 555 75 (2018)
  203. Hughes A C et al Phys. Rev. Lett. 125 080504 (2020)
  204. Clark C R et al Phys. Rev. Lett. 127 130505 (2021)
  205. Johnson K G et al Rev. Sci. Instrum. 87 053110 (2016)
  206. Berkeland D J, Boshier M G Phys. Rev. A 65 033413 (2002)
  207. Заливако И В и др Квантовая электроника 50 850 (2020); Zalivako I V et al Quantum Electron. 50 850 (2020)
  208. Галстян К П, Заливако И В, Крючков Д С, Колачевский Н Н Изв. вузов Радиофизика 67 (1) 15 (2024); Galstyan K P, Zalivako I V, Kryuchkov D S, Kolachevsky N N Radiophys. Quantum Electron. 67 13 (2024)
  209. Benhelm J et al Nature Phys. 4 463 (2008)
  210. Bharti K, Haug T Phys. Rev. A 104 L050401 (2021)
  211. Bharti K, Haug T Phys. Rev. A 104 042418 (2021)
  212. Haug T, Bharti K Quantum Sci. Technol. 7 045019 (2022)
  213. Bharti K et al Phys. Rev. A 105 052445 (2022)
  214. Zalivako I V et al ""Experimental factoring integers using fixed-point-QAOA with a trapped-ion quantum processor" arXiv:2503.10588
  215. Main D et al arXiv:2407.00835; Main D et al Nature 638 383 (2025)
  216. Mintert F, Wunderlich C Phys. Rev. Lett. 87 257904 (2001)
© Успехи физических наук, 1918–2025
Электронная почта: ufn@ufn.ru Телефоны и адреса редакции О журнале Пользовательское соглашение