98 量子位元離子阱量子電腦 Helios 創下閘極保真度世界紀錄

2026 年 6 月 17 日，由 Ransford 等人（Quantinuum 與 Sandia 國家實驗室）在《Nature》期刊上發表了一篇經同儕審查的論文，題為〈A 98-qubit trapped-ion quantum computer with all-to-all connectivity〉（DOI: 10.1038/s41586-026-10676-4），並附有 News & Views 評論文章 。該成果確立 Helios 為 Quantinuum 迄今為止最大且最可靠的量子電腦，並證明離子阱技術可在與超導電路量子位元數相當的規模下，維持大幅更低的錯誤率 。

閘極保真度

• 單量子位元閘極保真度：99.9975%（平均錯誤率 2.5 × 10⁻⁵）
• 雙量子位元閘極保真度：99.921%（平均錯誤率 7.9 × 10⁻⁴）
• 狀態準備與量測 (SPAM) 保真度：99.967%（平均錯誤率 3.3 × 10⁻⁴）

論文指出，這些錯誤率均未達到基本物理極限，未來可望進一步提升 。

QCCD 架構、音叉型離子阱與全連結能力

Helios 的核心是採用量子電荷耦合元件 (QCCD) 架構，實現於 2D 表面電極離子阱上 。關鍵設計特點：

• 使用單個 ¹³⁷Ba⁺ 超精細量子位元作為資訊載體
• 全連結能力透過一個可旋轉的離子儲存環實現，該環經由一個接面連接兩個量子操作區域
• 離子在空間分離的記憶體和邏輯區域之間物理移動——量子位元在處理器中流動，類似經典 CPU 中的位元，具備專用記憶體結構、資料匯流排和邏輯單元
• 音叉式離子阱接面允許離子被路由至任何閘極區域，實現任意量子位元對的互動

這種基於傳輸的架構，使所有 98 個量子位元在每個電路層的平均深度 1 時間達到 55 毫秒 。

錯誤修正邏輯量子位元的編碼

Helios 系統展示了多種規模的邏輯量子位元編碼：

• 從 98 個物理量子位元中提取出94 個具錯誤偵測能力的邏輯量子位元和48 個具完整錯誤修正能力的邏輯量子位元，實現了超越損益平衡的表現
• 使用 50 個具錯誤偵測能力的邏輯量子位元，Helios 執行了迄今為止最大規模的編碼量子磁學模擬
• 同日，三菱電機發布的一份技術報告評估了在 Helios 上以 Steane 碼編碼、最多 12 個邏輯量子位元執行的量子傅立葉變換

該 Nature 論文使用了電路中段量測（非破壞性讀取）——這是主動錯誤修正必需的關鍵能力，而 Sandia 實驗室貢獻了一套新的基準測試方法，專門用於衡量這些量測的效能 。

獨立驗證

• Sandia 國家實驗室獨立評估並認證了 Helios 系統，提供了新的基準測試工具並共同撰寫了論文 。Sandia 的量子效能實驗室與 Quantinuum 有著長期的合作研發協議（2026 年 5 月續約）。
• 歐洲 JUPITER 百萬兆級超級電腦：根據現有檢索來源，並未提及 JUPITER 對 Helios 進行驗證。此說法未經來源證實。可能指向某項獨立的經典模擬比較或未來的驗證步驟，但未記錄在《Nature》論文或相關新聞報導中。

廣泛影響

• Helios 是第一個達到 100 量子位元等級的離子阱量子電腦，證明離子阱系統能達到超導電路規模的量子位元數（約 100 個），同時維持 10 到 100 倍的更低錯誤率
• 根據隨機電路取樣基準測試的確認，該系統的運算能力遠超經典模擬的極限
• 元件層級的錯誤率可預測系統層級的表現，這意味著錯誤模型是可靠且可擴展的
• 研究成果支持了美國能源部實現容錯量子運算的目標，並標誌著「量子電腦保真度與複雜度的新領域」