Шина на колебательных модах ионной цепочки (все со всеми в цепочке)

Raveh Neeman

doi:10.5281/zenodo.22674814

Шина на колебательных модах ионной цепочки (все со всеми в цепочке) cx_bus

Общая коллективная колебательная мода запутывает любую пару ионов в одной ловушке, давая настоящую полную связность ценой роста времени вентиля с длиной цепочки.

cx_bus · слой 4 Связность / транспорт · продемонстрировано · с 2003

Открыть на карте

Общие колебательные моды дают связность «все со всеми» внутри одной цепочки; вентили замедляются с её длиной (медиана 672 µs на 30-ионной цепочке Forte).

Обзор →

Ключевые источники

[100] J.-S. Chen et al., “Benchmarking a trapped-ion quantum computer with 30 qubits,” Quantum, … · 2024

[121] S.-A. Guo et al., “A site-resolved two-dimensional quantum simulator with hundreds of trap… · 2024

[102] A. C. Hughes et al., “Trapped-ion two-qubit gates with >99.99% fidelity without ground-sta… · 2025

[109] E. Tham et al., “Breakeven demonstration of quantum low-density parity-check codes,” arXiv… · 2026

[101] IonQ, “IonQ Tempo: 100-Qubit Quantum Computer (#AQ 64).” [Online]. Available: https://ionq…

Пространство проектирования — атрибуты

(a) сродство носителя: естественный
(b) время · запутывание: —
(c) считывание: —
(d) подвижность: общая шина (колебательные моды / резонатор)
(e) управление: —
(f) структура ошибки: когерентная / калибровочная
(g) производство: МЭМС / планарные ловушки

Пространство оценки — датированные атрибуты

independently benchmarked chain (Forte) → 30 ions, all 435 pairs

определяет: число кубитов с учётом качества · 2023-08 · источник

largest chain demonstrated (Tempo development system) → 64-qubit register, #AQ 64 [C] — IonQ's own benchmark, no per-pair data; the 100-qubit product is listed for late 2026

определяет: число кубитов с учётом качества · 2025-09 · источник

IonQ Forte — цепочка из 30 ионов (435 пар), а не 36; 100-ионная цепочка Tempo со связностью «все со всеми» — заявление компании без опубликованного времени вентиля и попарной точности.

Стандартные рекорды

степень связности → 29 · типичное

IonQ Forte: 'single-chain 30-qubit trapped-ion quantum computer with all-to-all operations', benchmarked over all 30-choose-2 = 435 pairs · 2023-08 · источник [D] ⓘ

транспорт на раунд → не опубликовано · типичное

Not applicable: a single motional-bus chain performs no transport between zones; all 435 Forte pairs are addressed in place · 2023-08 · источник [D] ⓘ

Участники и цели — аннотации

Ионы в ловушках — линейная ловушка Пауля с индивидуальной лазерной адресацией — IonQ (Aria, Forte, Tempo), AQT, Qudoor, Maryland/Duke (EURIQA), Innsbruck · G2 G3 G6 G7

Ионы в ловушках — электронное управление кубитами (СВЧ / РЧ вентили) — Oxford Ionics (IonQ), eleQtron, QUDORA, Universal Quantum · G2 G3 G6 G7

Рёбра

нужно: Ион в ловушке

нужен для: Нелокальные qLDPC-коды (bivariate bicycle, «gross»)°, Высокоскоростные каскадные коды с трансверсальными вентилями°, Цветовой код (трансверсальные клиффордовы вентили)°

альтернативы: Перемещение ионов (QCCD, перекрёстки, решётчатые ловушки)

конфликтует с:

Вентиль Мёльмера–Соренсена / на световом сдвиге (лазерный) открыт — смягчение в масштабе не показано

время вентиля растёт с длиной цепочки (медиана 672 µs на 30-ионной цепочке Forte)

цена спектральная теснота колебательных мод делает вентиль медленнее и менее точным с ростом цепочки: медиана 672 µs на 30-ионной цепочке Forte против ~10–30 µs на коротких цепочках

смягчение короткие цепочки в зонированных QCCD-ловушках (Quantinuum), амплитудно/фазово-модулированные вентили или электронные вентили на сегментах ≤ 4 ионов · 2025

° одно из нескольких, что подошли бы · обычный маршрут, не строгая необходимость

Используют 18 машин (18 основная · 0 альтернатива)

ионы в ловушках 18
IBEX Q1 (Marmot / PINE) Alpine Quantum Technologies страница продукта ▣ Fig. 18 (pairwise fidelities over a 4-ion register via AOD addressing); Fig. 19 (24/50-ion chains); §IV.H ✅
AQT LYNX Alpine Quantum Technologies пресса пресса ▨ 'all-to-all qubit connectivity'; 'no need for time-consuming reconfiguration or SWAP operations' ✅
JION eleQtron + Forschungszentrum Julich пресса ▣ Fig. 2 (gradient-induced spin-spin coupling strengths J_ij across a 1-D chain) ✅
QSea I (DLR QCI ion-trap demonstrator) eleQtron with NXP Semiconductors and ParityQC, for the DLR Quantum Computing Initiative пресса пресса ссылка ▦ 'All qubits are coupled to one another using magnetic field gradients' ✅
Aria IonQ страница продукта ▣ Fig. 2a (all-to-all connectivity of the 11-qubit chain, 55 pairs colour-coded by XX fidelity) ✅
40-ion Ba-133 qLDPC testbed (IonQ: a Tempo engineering test system) IonQ пресса пресса ▣ Fig. 1 (Tanner graphs of required 2Q connectivity); App. F Qubit mapping ✅
Forte / Forte Enterprise IonQ статья страница продукта пресса ▤ §1; §3.1 Component-level benchmarking ✅
QUARTET Oxford Ionics (IonQ) пресса ▤ §III Experiments (seven-zone single-layer linear trap, up to 10 qubits; probe ions shuttled to the central zone) ✅
Superion 256 IonQ пресса пресса ▨ 🔎
Tempo IonQ страница продукта страница продукта блог ▦ 🔎
PIAST-Q Poznan Supercomputing and Networking Center (PCSS) ▨ ✅
Montage (first-generation QaaS system, up to 50 qubits) Quantum Art страница продукта ▣ Fig. 1 (optically segmented crystal, cells as near-independent registers); §II Proposed architecture ✅
Perspective (1,000-qubit multi-core system) Quantum Art пресса ▣ Fig. 1 (optically segmented crystal, cells as near-independent registers); §II Proposed architecture ✅
Aba|Qu 1.0 (Tiansuan-1, 天算1号) Qudoor (Guokaike) пресса пресса ▨ 🔎
70-qubit ion quantum computer (FIAN / Rosatom roadmap) Lebedev Physical Institute (FIAN) and the Russian Quantum Center, Rosatom roadmap ◌ 🔎
QSCOUT (Quantum Scientific Computing Open User Testbed) Sandia National Laboratories статья статья страница продукта ▦ ✅
University of Innsbruck trapped-ion demonstrator (Institut für Experimentalphysik) University of Innsbruck статья статья статья ▣ Fig. 1c (any ion pair i,j addressable) ✅
Maryland / Duke Quantum Center (EURIQA lineage) University of Maryland / Duke University статья статья ▣ Fig. 1 (9 data + 4 ancilla qubits mapped onto one 15-ion chain) ✅

↗ карточка реестра · статья / продукт / пресса: ссылки, где машина названа (атрибуция проверена 20 сентября 2026)

Иллюстрации

У каждой иллюстрации — рассказ о том, что на ней, и строка авторства.

Fig. 1 — Fig. 1: Quantum dynamics of an EASE gate.a An energy-level diagram associated with the pth motional mode showing off-resonant red and blue sideband… — Three-panel principle diagram: (a) energy levels of two ion qubits with a motional ladder, showing the red- and blue-sideband paths that couple |00⟩ to |11⟩; (b) the spectrum of the chain's motional modes on both sides of the qubit carrier, with the symmetric detuning μ of the gate pulses; (c) arrows giving how strongly each of 13 ions takes part in two chosen modes. It is Figure 1 of a 2020 Nature Communications article by Grzesiak, Blümel, Wright and co-authors on efficient arbitrary simultaneously entangling (EASE) gates on a trapped-ion quantum computer. It shows how shared motional modes let any ions of a chain be entangled. “Fig. 1 — Fig. 1: Quantum dynamics of an EASE gate.a An energy-level diagram associated with the pth motional mode showing off-resonant red and blue sideband transitions…” by Grzesiak et al., www.nature.com/articles/s41467-020-16790-9, CC BY 4.0 (creativecommons.org/licenses/by/4.0/)

File:Diagram of the Cirac-Zoller CNOT gate.svg — Black-and-white principle diagram: a chain of ions with two marked qubits, A and B, sharing a vibrational (phonon) mode, plus zoomed level schemes of each ion's ground, excited and auxiliary states with numbered laser pulses. Drawn by QuarksAndElectrons (2024-01-21) to illustrate the Cirac–Zoller gate: a π-pulse on ion A, a 2π-pulse on ion B, then another π-pulse on ion A. It shows how trapped-ion qubits interact through shared motion: the chain's vibration acts as a bus carrying ion A's state to ion B. “Diagram of the Cirac-Zoller CNOT gate” — QuarksAndElectrons, CC0 1.0. Source: commons.wikimedia.org/wiki/File:Diagram_of_the_Cirac-Zoller_…

A two-panel drawing: on the left a line of ten trapped ions lit by two wide laser beams, one covering each half; on the right a block matrix of the couplings between ions, within each beam and across the two. It comes from arXiv paper 2509.14331 by Yakov Solomons and co-authors. It shows how ions in one chain can all be coupled to each other through their shared motion, even with only a few broad beams; notice the mixed-colour block for couplings between the two halves. “Fig. 3 — Figure 3: (a) Illustration of a line of ions illuminated by two semi-global beams. (b) The corresponding coupling matrix Φ is split to B=2B=2 global…” by Yakov Solomons, Yotam Kadish, Lee Peleg, Jonathan Nemirovsky, Amit Ben Kish, Yotam Shapira, arxiv.org/abs/2509.14331, CC BY 4.0 (creativecommons.org/licenses/by/4.0/)

cx_bus · слой 4 Связность / транспорт · центральность 4.2 · продемонстрировано · с 2003 · обновлено 2026-09-30

Шина на колебательных модах ионной цепочки (все со всеми в цепочке)

Общая коллективная колебательная мода запутывает любую пару ионов в одной ловушке, давая настоящую полную связность ценой роста времени вентиля с длиной цепочки.

Вердикт. Настоящая полная связность до ~30 ионов по результатам бенчмарков и до ~100 по заявлениям; за целью IonQ «10 000 ионов на одном чипе» к 2027 году не стоит никаких опубликованных данных ни по нагреву, ни по времени вентиля, ни по спектру мод.

Ключевые источники

Λ = коэффициент подавления ошибки на один шаг кодового расстояния; QBI = DARPA Quantum Benchmarking Initiative (Stage A — концепция → B — план НИОКР → C — государственная V&V); G1–G7 = классы целей отчёта (см. «Участники и экономика»).

Сущность и происхождение

Ионы в одной ловушке разделяют общие коллективные колебательные моды; спин-зависимая сила через общую моду запутывает любую пару, не сдвигая ионы, так что связность полная по построению. Механизм задали Цирак и Цоллер (1995) и Мёльмер и Соренсен (1999); вентили в цепочке ведут отсчёт с 2003 года.
Подвижность шинного типа, одна общая мода, транспорта нет; изготовление ловушек по технологии, родственной МЭМС.
Ни собственной модальности управления, ни собственного считывания; ошибка когерентная — адресация мод и нагрев, а не потери.

Физика и пределы

N ионов несут N колебательных мод в фиксированной полосе, поэтому расстояние между модами падает как ~1/N: вентиль обязан либо разрешить одну моду спектрально, платя за это временем, либо замкнуть все моды формованными импульсами, платя мощностью и калибровкой. Поэтому время вентиля растёт с длиной цепочки — 550–883 µs, медиана 672 µs, на цепочке из 30 ионов против 110 µs для одного кубита D[100]. Шум электродов нагревает общую моду, и ошибка растёт с N, поскольку каждая пара занимает одно и то же возбуждение. Выше критической анизотропии цепочка теряет устойчивость и сворачивается в зигзаг: длинные цепочки требуют слабого аксиального удержания, а значит более низких частот и более медленных вентилей. Пол сдвигают безлазерные электронные вентили (ошибка двухкубитного вентиля 8.4×10⁻⁵ D[102]) и формованные импульсы.

Достигнутый инженерный уровень

таблица

Дата	Показатель	Кто	Тег+ключ
2023-08	Цепочка из 30 ионов, бенчмарк по 435 парам; MS 550–883 µs	IonQ Forte	D[100]
2024	2D-кристалл из 512 ионов, только аналоговый режим	Tsinghua	D[121]
2025-10	Ошибка двухкубитного вентиля 8.4×10⁻⁵, электронный вентиль, без охлаждения	IonQ/Oxford Ionics	D[102]
2026-06	Безубыточность (break-even) qLDPC-памяти в пределах погрешности: 3.95±0.68 s (один из кодов) против 3.84±0.48 s у физического кубита (пересмотрено в сентябре 2026)	IonQ	D[109]

Tempo: 100 ионов, #AQ 64, времени вентиля нет C[101]. Доминирующий член: время вентиля, а не точность (fidelity).

Колебательные моды цепочки могут служить не только шиной для вентилей, но и бозонным регистром. Цепочка из трёх ионов ¹⁷¹Yb⁺ закодировала скалярное поле в одном наборе поперечных мод (2.80–3.05 MHz) и вела его эволюцию спин-фононными вентилями, избегая усечения бозонов при отображении на кубиты, тогда как вентили Мёльмера–Соренсена использовали другой поперечный набор, чтобы те и другие не мешали друг другу; измеренные заселённости фононов совпали с моделированием вплоть до восьми квантов на моду, а четвёртую бозонную моду пришлось вести в отдельной схеме D[884]. Регистр недолговечен: когерентность колебательных мод ≲ 10 ms против ≈ 1.5 s когерентности спина в простое D[884].

Цепочка Tempo из 100 ионов — заявление компании; самая длинная независимо протестированная цепочка — 30 ионов. Не опубликовано: время двухкубитного гейта и точность на пару в Tempo — сверх #AQ 64 и заголовочной «точности 99,9%»; стоимость контракта KISTI на Tempo-100; и какие-либо данные о нагреве, спектре мод или межсоединениях, согласующие цель IonQ — 10 000 ионов на одном чипе к 2027 году — с компромиссом длины цепочки.

Производство, материалы и цепочка поставок

IonQ закрыла сделку по приобретению SkyWater 2026-07-31, назвав фабрики микроизготовленных ловушек в Миннесоте, Флориде и Техасе, без раскрытия размера пластины и техпроцесса Cфакт. Управление разветвляется надвое: лазерные MS-вентили требуют нескольких длин волн и оптики на каждый ион; электронные вентили используют токовые и микроволновые линии на кристалле. При 10³ ионах стеной становится спектр мод, а не разводка: ответ — множество коротких цепочек, соединённых перемещением ионов (shuttling) или фотоникой; первое запутывание IonQ между двумя системами (2026-04-14) не раскрыло ни скорости, ни точности Cфакт. Экспортная уязвимость лежит на готовой машине: ECCN 4A906 контролирует её, лишь когда число кубитов и ошибка C-NOT попадают в одну полосу — от 34–99 кубитов при ≤ 10⁻⁴ до любой ошибки начиная с 2 000 кубитов факт; ионные ловушки не названы ни в одном правиле G[301].

Роль в стеке

Это основная связность двух ионных архитектур: линейной ловушки Пауля с индивидуальной лазерной адресацией и электронного управления кубитами (СВЧ / РЧ вентили). Не требует ничего; обеспечивает те нелокальные проверки, которые предполагают двумерные велосипедные (bivariate bicycle) qLDPC и высокоскоростные коды с трансверсальными вентилями, что и показывают восемь кодов IonQ на одной цепочке из 40 ионов — без перенастройки аппаратуры, причём один из них достиг безубыточности в пределах погрешности D[109]. Он конкурирует с перемещением ионов в QCCD, которое покупает длину цепочки временем транспорта: Helios получает полную связность из кольца и соединительного узла при ~55 ms на слой полной ширины D[97], а на H2 транспорт занимал в среднем ~60% времени схемы D[110]. Производный такт = сумма раунда синдрома: слои вентилей + транспорт + считывание + сброс ≈ 1.5×10⁻³ s, из них 1.4 ms — слои вентилей. Верификация: показатель Forte — это бенчмарк по всем 435 парам, поэтому позиционные эффекты видны; для Tempo публикуются #AQ 64 и «точность 99.9%» без времени вентиля и без данных по парам — это пробел в раскрытии, а не спор.

Участники и экономика

Кто.
| Организация | Роль | Страна | Что делают | Свидетельство |
|---|---|---|---|---|
| IonQ | разработчик | США | Цепочки Forte и Tempo; владеет SkyWater | C[101] |
| Oxford Ionics | разработчик | Великобритания | Электронные безлазерные вентили; подразделение IonQ | D[102] |
| Quantinuum | разработчик | США/Великобритания | Конкурирующая транспортная архитектура | D[97] |
| eleQtron | разработчик | Германия | Микроволновое управление ионами MAGIC | C[129] |

Деньги. 2025-09-17 · IonQ · сделка M&A, Oxford Ionics · $1.075 B USD · закрыта факт. 2025-10-12 · IonQ · размещение акций · $2.0 B USD по $93/share · закрыто факт. 2025-11-06 · DARPA · QBI Stage B · до $15 M каждому · IonQ и Quantinuum среди одиннадцати G[65]. 2026-05-05 · eleQtron · раунд A · €57 M · закрыт C[129]. 2026-07-31 · IonQ · сделка M&A, SkyWater · ~$1.8 B USD · закрыта факт. 2026-08 · IonQ · выручка за 2-й квартал 2026 $80.1 M (+287% г/г), денежные средства $3.0 B C[326].

Рынок и цепочка поставок. Шина покупает чип ловушки, лазеры или микроволновые линии и одну вакуумную систему; риск концентрации лежит на поставщиках узкополосных лазеров и акустооптических модуляторов (АОМ), которых электронные вентили устраняют. Работает на G3 и G5.

Интеллектуальная собственность и стандарты. PatSnap называет IonQ лидером по числу заявок в области инженерии колебательных мод Pфакт; органа по стандартизации нет.

Дорожные карты и послужной список. (2025-06 · на 2026 г. · 256 кубитов с точностью 99.99% · сдвинуто на H1 2027); (на 2027 г. · 10 000 на одном чипе · данных по нагреву нет); (на 2030 г. · 2 M физических) R[132]. Заявления по точности сбываются, сроки по масштабу — нет: дорожная карта 2020 года обещала 4 000 кубитов к 2026 году, промах примерно в 40 раз.

Стратегическое прочтение. Если полная связность в цепочке удержится до нескольких сотен ионов, ионные поставщики сохранят преимущество по связности, которое делает высокоскоростные коды дешёвыми, а собственные фабрики IonQ ускорят итерации по ловушкам. Если нет, шина становится внутримодульной деталью, и стоимость перемещается в межсоединения.

Перспективы и открытые вопросы

Подтверждение, если IonQ опубликует времена вентилей Tempo и точности по парам либо поставит 256 кубитов в H1 2027; понижение, если раскрытие останется на уровне заголовков. В лучшем случае к 2029: электронные вентили на ловушках собственного производства выводят цепочки за 100 ионов. В худшем случае: цепочки застревают на 30–50 ионах. Открытый вопрос: как масштабируется нагрев мод при 100 ионах?

Литература

[65] DARPA, “Stage B selection,” Nov. 6, 2025. [Online]. Available: https://www.darpa.mil/research/programs/quantum-benchmarking-initiative/stage-b-selection [G]
[97] A. Ransford et al., “A 98-qubit trapped-ion quantum computer with all-to-all connectivity,” Nature, vol. 655, no. 8121, pp. 81–86, Jun. 2026, doi: 10.1038/s41586-026-10676-4. arXiv:2511.05465. [D]
[100] J.-S. Chen et al., “Benchmarking a trapped-ion quantum computer with 30 qubits,” Quantum, vol. 8, Art. no. 1516, Nov. 2024, doi: 10.22331/q-2024-11-07-1516. arXiv:2308.05071. [D]
[101] IonQ, “IonQ Tempo: 100-Qubit Quantum Computer (#AQ 64).” [Online]. Available: https://ionq.com/quantum-systems/tempo [C]
[102] A. C. Hughes et al., “Trapped-ion two-qubit gates with >99.99% fidelity without ground-state cooling,” arXiv:2510.17286, Oct. 2025. [D]
[109] E. Tham et al., “Breakeven demonstration of quantum low-density parity-check codes,” arXiv:2606.06455, Jun. 2026. [D]
[110] S. A. Moses et al., “A Race Track Trapped-Ion Quantum Processor,” Phys. Rev. X, vol. 13, Art. no. 041052, Dec. 2023, doi: 10.1103/PhysRevX.13.041052. arXiv:2305.03828. [D]
[121] S.-A. Guo et al., “A site-resolved two-dimensional quantum simulator with hundreds of trapped ions,” Nature, vol. 630, no. 8017, pp. 613–618, May 2024, doi: 10.1038/s41586-024-07459-0. [D]
[129] A. Cordes, “Quantum computing scale-up eleQtron secures €57 million in one of the largest Series A funding rounds worldwide,” eleQtron, May 5, 2026. [Online]. Available: https://eleqtron.com/en/quantum-computing-scale-up-eleqtron-secures-57-million-in-one-of-the-largest-series-a-funding-rounds-worldwide/ [C]
[132] IonQ, “IonQ's Accelerated Roadmap: Turning Quantum Ambition into Reality,” Jun. 13, 2025. [Online]. Available: https://www.ionq.com/blog/ionqs-accelerated-roadmap-turning-quantum-ambition-into-reality [R]
[301] US Department of Commerce, Bureau of Industry and Security, “Commerce Control List Additions and Revisions; Implementation of Controls on Advanced Technologies Consistent With Controls Implemented by International Partners,” Federal Register, vol. 89, p. 72926, Sep. 6, 2024. [Online]. Available: https://www.federalregister.gov/documents/2024/09/06/2024-19633/commerce-control-list-additions-and-revisions-implementation-of-controls-on-advanced-technologies [G]
[326] IonQ, “IonQ Announces Record Second Quarter 2026 Revenues, Growing 287% YoY,” Aug. 5, 2026. [Online]. Available: https://www.ionq.com/news/ionq-announces-record-second-quarter-2026-revenues-growing-287-yoy [C]
[884] A. T. Than et al., “Quantum field theory dynamics on a spin–phonon quantum computer,” Nat. Phys., Sep. 2026, doi: 10.1038/s41567-026-03402-4. arXiv:2509.11477. [D]