[论文解读] SpinQ Gemini: a desktop quantum computer for education and research

Shi‐Yao Hou, Guanru Feng+14 more|arXiv (Cornell University)|Jan 25, 2021

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 72被引用 5

一句话总结

SpinQ Gemini 是一款基于核磁共振（NMR）技术、采用永磁体的低成本、桌面式、常温量子计算机，可实现可及的量子计算教育与研究。它通过 SpinQuasar 软件支持真实设备编程，实现了针对两量子比特海森堡模型的变分量子本征求解器（VQE）并应用了误差缓解技术，获得的基态能量接近理想结果，验证了其在远低于传统量子硬件成本下，对实践性学习与量子控制研究的实用价值。

ABSTRACT

SpinQ Gemini is a commercial desktop quantum computer designed and manufactured by SpinQ Technology. It is an integrated hardware-software system. The first generation product with two qubits was launched in January 2020. The hardware is based on NMR spectrometer, with permanent magnets providing $\sim 1$ T magnetic field. SpinQ Gemini operates under room temperature ($0$-$30^{\circ}$C), highlighting its lightweight (55 kg with a volume of $70 imes 40 imes 80$ cm$^3$), cost-effective (under $50$k USD), and maintenance-free. SpinQ Gemini aims to provide real-device experience for quantum computing education for K-12 and at the college level. It also features quantum control design capabilities that benefit the researchers studying quantum control and quantum noise. Since its first launch, SpinQ Gemini has been shipped to institutions in Canada, Taiwan and Mainland China. This paper introduces the system of design of SpinQ Gemini, from hardware to software. We also demonstrate examples for performing quantum computing tasks on SpinQ Gemini, including one task for a variational quantum eigensolver of a two-qubit Heisenberg model. The next generations of SpinQ quantum computing devices will adopt models of more qubits, advanced control functions for researchers with comparable cost, as well as simplified models for much lower cost (under $5$k USD) for K-12 education. We believe that low-cost portable quantum computer products will facilitate hands-on experience for teaching quantum computing at all levels, well-prepare younger generations of students and researchers for the future of quantum technologies.

研究动机与目标

• 开发一种面向中小学及高校教育的可访问、低成本且免维护的量子计算平台。
• 为研究人员提供一个真实设备平台，用于量子控制、噪声分析与误差缓解研究。
• 通过实现常温、便携的量子计算，克服大型、昂贵且需低温冷却的量子系统的局限性。
• 同时支持脉冲级控制的高级研究与低成本模型的简化教学。
• 通过经济实惠、可扩展且用户友好的软硬件一体化设计，实现量子计算的普惠化。

提出的方法

• 硬件利用永磁体产生约1 T的磁场，替代超导磁体，从而消除低温冷却需求。
• 系统基于商用NMR波谱仪平台构建，通过定制射频脉冲序列与控制电子设备改造为量子计算用途。
• 软件界面 SpinQuasar 支持量子线路设计、量子算法执行以及量子态与测量结果的实时可视化。
• 针对两量子比特海森堡哈密顿量，采用参数化量子线路实现了变分量子本征求解器（VQE）。
• 采用超算符形式化方法对退相干与CNOT门错误进行误差缓解，显著提升实验结果的保真度。
• 系统采用Kraus算符表示法建模噪声，并通过比较模拟与实验的能量输出验证了噪声模型的准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于永磁体的桌面型NMR量子计算机是否可作为大型、低温量子系统的可行、低成本替代方案，用于教育与研究？
• RQ2 在两量子比特NMR量子计算机上，真实设备上的VQE实验能多准确地执行？其结果收敛到基态能量的程度如何？
• RQ3 基于超算符形式化的误差缓解技术，在噪声较大的真实设备平台上，能在多大程度上提升量子线路结果的保真度？
• RQ4 简化版、低成本的设备（五千元以下）是否能有效支持中小学量子教育，同时不损害核心学习目标？
• RQ5 在可及性、易用性与实验控制方面，SpinQ Gemini系统的性能特征与基于云的量子平台相比如何？

主要发现

• SpinQ Gemini系统成功实现了对两量子比特海森堡模型的VQE，获得的基态能量约为-2.98，非常接近理想值。
• 噪声线路模拟结果与实验数据高度吻合，验证了本研究中所用退相干误差模型的准确性。
• 通过超算符形式化方法实施误差缓解，显著提升了VQE结果的保真度，使测得能量更接近理想基态。
• 该系统表明，采用永磁体的NMR量子计算机可在常温下稳定运行，维护需求极低，且占地面积小。
• 该设备已在加拿大、台湾及中国大陆的多所院校部署，证实其在真实教育与科研场景中的实用性。
• 开发路线图包括支持3–4量子比特的增强控制功能模型，以及五千元教育版模型，进一步拓展其在各级教育中的可及性。