群雄逐鹿量子计算机 科学家接近打败传统计算机

克里斯·门罗正在检查设备。资料来源:卡梅伦·戴维森

一个周日下午，量子计算初创公司ionQ的两位联合创始人正在与他们的第一位员工——新任首席执行官举行战略会议。坐在马里兰大学物理楼舒适的皮椅上，两位创始人正在经历一场文化碰撞。

两位研究科学家:马里兰大学的物理学家克里斯·门罗和杜克大学的电子工程师荣山金在记者面前轻松地谈论着公司规划。他们列出了为什么他们选择结合离子，他们的专业知识将有助于建立一个伟大的量子计算机-完美的再现性，耐用性和良好的可控性使用激光。

新任首席执行官大卫·默林是由美国国际癌症研究协会的门罗和金雇佣的，他更加警觉。他警告门罗和金不要泄露创业公司应该保密的信息——包括他们从风险资本家那里获得的投资金额。金姆点点头，笑着看着默林。"在某个时候，这个人会要求我们在他允许的情况下谈话."

黄金时代

然而，这些看似不可能的合作伙伴都有一个共同的信念:量子计算已经为黄金时代做好了准备。该技术旨在通过使用量子力学大大加速计算。他们并不孤单。技术巨头英特尔、微软、IBM和谷歌正在量子计算领域投资数千万美元。然而，这些竞争者押注于不同的技术黑马:没有人知道驱动一台实用的量子计算机需要什么样的量子位。

谷歌经常被视为这一领域的领导者，并宣布了自己的选择:微型超导电路。他的研究团队已经建造了一台9比特的机器，并希望在一年内将它扩展到49比特，这是一个重要的门槛。在50个量子位的阶段，许多人认为量子计算机可以成为“量子霸权”。这是加州理工学院物理学家约翰·普雷斯基尔创造的一个词，用来表示量子计算机能够超越传统计算机，比如模拟化学和材料科学的分子结构，或者解决机器学习中的一些问题。

ionQ团队对谷歌的成功印象不佳。"我不担心谷歌会在下个月宣布游戏结束。"金说，“也许他们可以宣布，但游戏还没有结束。”

但是ionQ有很多缺点——没有专门的办公室，甚至没有网站。这家初创公司仍然坚持绑定离子，这也是世界上最早的量子逻辑门背后的技术。门罗自己在1995年帮助创建了它。利用精确调制的激光脉冲，门罗可以将离子激发成持续几秒钟的量子态——比谷歌的量子位要长得多。Kim开发了一个模块方案，可以将离子群连接在一起。

到目前为止，最好的成就之一是实现了一个具有5个量子位的可编程机器。门罗承认:“束缚离子现在有点像怪物，但我认为人们会在未来几年蜂拥而至。”

有一点是肯定的:建造量子计算机不再是一些科学家的遥远梦想，而是一些最大公司的直接目标。尽管超导量子位可能已经获得了行业参与者的领先发展势头，但相关专家认为，现在说哪项技术胜出还为时过早。"这些技术正在并行发展，这是一件好事."普雷斯基尔说，“可能会有惊喜和改变的情况。”

又快又脆

由于两种独特的量子效应:量子叠加和量子纠缠，量子比特可以杀死传统的计算机比特。量子叠加使量子位的值不仅为0或1，而且同时具有两种状态，可以实现同步计算。量子纠缠使得一个量子位能够与其他空间上独立的量子位共享其状态，产生一个超级叠加，从而使每个量子位的处理能力加倍。理论上，只有300个完全纠缠的量子比特能够支持比宇宙中原子数量更多的并行计算。

这种巨大的并行性对许多任务来说可能没有价值——没有人认为量子计算机会完全改变文字处理或电子邮件。然而，它可以大大加快算法设计，同时探索大量不同的路径，如大数据搜索和发现新的化学催化剂。量子计算机也可以在物理中用来模拟黑洞或其他现象。

但仍有许多工作要做。量子叠加态和纠缠态非常脆弱。来自环境的轻微干扰可以破坏它——甚至观察它也可以破坏它的状态。量子计算机需要受到耶鲁大学物理学家罗伯特·肖尔科夫所谓的“经典混沌之海”的保护

尽管相关理论在20世纪80年代初开始萌芽，但实验量子计算直到1995年才发展起来。1995年，新泽西州贝尔实验室的数学家彼得·肖尔证明了利用量子计算机可以有效地进行大数的因式分解，这使得现代密码学容易受到量子计算机的攻击。肖尔和其他学者也已经证明，从理论上讲，通过修正邻近量子位的误差来维持脆弱量子位的稳定性是可能的。

当时，许多物理学家和他们的资助人也开始开发量子计算机，并表明这种机器不会成为大量级联错误。位于科罗拉多州博尔德市的国家标准与技术研究所(NIST)的物理学家、诺贝尔奖获得者大卫·怀恩兰是第一个提出激光冷却离子并控制其内部量子态的人。肖尔的研究发表后不到一年，怀恩兰和当时为NIST工作的门罗通过激光控制铍离子的电子状态，建立了第一个量子机制逻辑门。门罗说:“正是因为怀恩兰对离子的研究，我们才能掌握早期量子计算实验的领先趋势。”

多管齐下的方法

随着世界各国*向量子物理研究小组投入大量资金，其他类型的量子比特开始出现。21世纪初，束缚离子的概念受到了另一个新概念的挑战:超导*成的电路。这里使用的超导体是一种带有振荡电路的金属材料，当冷却到接近绝对零度时没有电阻。量子位0和1对应不同的电流强度。该电路不用激光就可以用肉眼观察，并且可以用简单的微波电子技术控制。制造过程只需要传统的计算机芯片制造技术。此外，电路运行非常快。

但是超导体有一个致命的弱点:环境噪音。甚至用来控制它们的电子设备也能在不到一微秒的时间内破坏它们的量子叠加态。然而，工程技术的发展已经将回路的稳定性提高了至少100万倍，所以现在它们可以维持叠加态几十微秒，尽管维持时间仍然比离子的短得多。

2007年，加拿大的贝纳比D波系统公司发布了一个令人震惊的消息，宣布它已经成功开发了一台16量子比特的超导量子计算机。计算机依靠一种叫做量子退火的技术，在这种技术中，量子位可以与相邻的量子位纠缠在一起，产生一个单一的全局量子态，而不是一系列并行计算。

尽管:D之后受到了批评，但波甚至没有试图解决对量子计算至关重要的问题，比如纠错。然而，大公司仍然热衷于这种设备，谷歌和洛克希德·马丁公司已经成为D-Wave的客户。D-Wave让一些公司开始思考。“这让我们大开眼界。D波的出现表明这个市场正在形成，需求已经出现。”门罗说。

英特尔在2015年宣布将投资5000万美元给荷兰代尔夫特科技大学的QuTech公司来开发硅量子点。它也经常被称为“人造原子”。每个点量子位都是一小块材料，其中的结构就像一个原子，电子的量子态可以用来表示0和1。与离子或原子不同，量子点不需要激光。“我认为英特尔的心脏是由硅制成的。”QuTech的科学主管利奥·考文霍文(Leo Kouwenhoven)说，“这就是他们有这样一个职位的原因。”

微软的行动看起来更有远见:基于非阿贝尔任意子的拓扑量子位。谷歌已经招募了加州大学圣巴巴拉分校的超导量子比特专家约翰·马丁尼斯。7月，马丁尼斯的团队成功地用三个超导量子位模拟了氢分子的基态能量，证明了量子计算机和传统计算机一样具有模拟简单量子系统的能力。

与此同时，门罗正在与束缚离子研究中遇到的挑战“角力”。由于真空腔和电极的作用，束缚离子的量子位可以保持几秒钟的稳定。它们可以在有外部噪声的情况下保持量子位的稳定性。

即使有大量的资本投资，量子计算要成为一个秘密的商业领域还有很长的路要走。更重要的是，没有人对量子计算知道得足够多，所以没有人能说哪种量子位可以用来实现量子计算机。在扩展实用的量子计算机之前，每个方面都需要仔细的调整和改进。超导基量子位和硅基量子位需要以更高的一致性制造，而冷却设备需要高效。同时，结合离子需要更快的逻辑门和更紧凑的激光器和光学器件。拓扑量子位也需要创建。

未来的量子计算机很可能是一种混合物，它使用超快超导量子位来运行算法，然后使用更稳定的离子存储器来输出，同时使用光子在机器的不同部分或量子网络节点之间穿梭信息。微软研究员克里斯塔·斯沃说:“我们可以想象，我们处在一个有几种类型的量子比特扮演不同角色的环境中。”(张张编)