今年量子计算机将走出实验室

资料来源:凯·胡德克

长期以来，量子计算一直被认为是20年后才能实现的技术。然而，2017年可能是该领域改变其“仅限研究”的一年。

计算巨头谷歌和微软最近雇佣了大量“重量级人物”，并为今年设定了一些具有挑战性的目标。他们的雄心反映了量子计算从纯科学到工程建设的转变。

“人们真的在建造一些东西。”克里斯多佛·门罗是美国马里兰大学的物理学家，也是IonQ的创始人之一，他说:“我从未见过这样的现象。量子计算不再仅仅是科学研究。”

《自然》杂志报道称，谷歌在2014年开始研究基于超导的量子计算机。它希望今年或以后开发的量子计算机将超越最强大的“传统”计算机——一个被称为量子霸权的里程碑。然而，微软，它的竞争对手，押注于一个有吸引力但尚未验证的概念，拓扑量子计算，并希望首先实现这项技术。

量子计算初创企业也很热门。门罗计划在2017年初开始一轮招聘。耶鲁大学物理学家、量子电路初创公司的联合创始人罗伯特·肖尔科夫和IBM应用物理学家、里格蒂公司创始人查德·里格蒂表示，他们将很快在关键技术上取得突破。

学术实验室也处于类似的转折点。"我们已经演示了所需的组件和所有功能."朔尔科夫说。然而，Schoelkopf和其他人认为，尽管仍然需要一系列的物理实验来使所有的部件协同工作，但现在的主要挑战是工程。

目前，子比特数最多的量子计算机(20)已经开始在学术实验室进行测试。例如，在奥地利因斯布鲁克大学，由雷纳·布拉特领导的一个研究小组正在进行这种工作。

传统的量子计算机将信息转换成量子位进行编码，量子位有两种状态:0或1。然而，组成量子计算机的量子位也可能处于叠加态，即同时处于1或0。这种叠加，加上量子位共享量子态(纠缠)的能力，使得计算机能够立即执行任何形式的计算。此外，理论上，计算出的数量是每个增加的量子位的两倍，这将导致计算速度的指数增长。

这种速度使得量子计算机能够执行任何特定的任务，例如在大型数据库中搜索，这在速度较慢的传统计算机中是不可能的。量子计算机也可以成为一种研究工具:演示量子模拟，允许化学家利用以前意想不到的细节理解反射，或者允许物理学设计在室温下可以超导的材料。

目前，有许多关于如何建立量子位元的建议。然而，这两种主要方法由于其存储信息的能力和持续时间的增长而逐渐出现。尽管它们的量子态仍然容易受到外界条件的干扰，量子逻辑门的操作仍然存在困难。

其中一种方法是在朔伊布夫的参与下推广的，并被谷歌、IBM、里格蒂和量子电路采用。该方法包括将量子态编码为超导周期中的冲击波。IonQ和一些主要实验室喜欢的另一种方法是将量子位编码成单个离子，并将其置于真空浓缩池的电磁场中。

加州大学圣巴巴拉分校的约翰·马丁尼斯在2014年带领团队加入谷歌，他说超导技术的成熟让他的团队为量子霸权设定了一个大胆的目标。

Martinis的团队计划使用“混沌”量子算法来实现这个目标。该算法的输出看起来像随机输出。然而，如果该算法在由相对较少的量子位组成的量子计算机上运行，传统的机器也可以预测最终输出，但是一旦量子机器的量子位接近50，即使是大型的传统超级计算机也难以达到。

这种计算的结果可能没有用，但他们的尝试表明，有些任务量子计算机无法解决。马丁尼斯说:“我们认为这将是一个对未来有重大意义的实验。”

然而，Schoelkopf并不认为量子霸权是一个“非常有趣或有用的目标”，部分原因是它避免了纠错的挑战:系统在受到外部环境对量子位的轻微干扰后恢复其信息流方向的能力，这将随着量子位数量的增加而变得越来越困难。相反，量子电路已经建造了一台机器，可以从一开始就纠正错误。这需要建立更多的量子位和机器运行更复杂的量子算法的能力。

门罗希望尽快实现量子霸权，但这不是IonQ的主要目标。这个初创公司的目标是建造一台拥有32或64个量子位的计算机。与超导电流技术相比，其离子阱技术也将使其设计更加灵活和可扩展。

同时，微软的拓扑量子计算依赖于物质之间的刺激，即通过量子位之间的纠缠进行信息编码。存储在这些量子位中的信息将更能抵抗外部干扰，也将使纠错更容易。

但是没有人能创造出这种刺激所需的物理状态，更不用说拓扑量子位了。但是微软已经雇佣了这一领域的四位领导者，包括荷兰代尔夫特大学的利奥·考文霍文，他创造了似乎是正确的刺激方式。

"我告诉我的学生，2017年是一个转折点。"考文霍文说。(张张编)

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