量子计算机竞赛愈演愈烈

原标题：量子计算机竞赛愈演愈烈

过去10年，随着量子计算从学术研究转变为商业性部署，人们的注意力主要集中在，由IBM、谷歌和因特尔等科技巨头采用的微小超导环路方法上。

但与此同时，一项长期被大公司边缘化的量子计算机制造技术正在发力中。

去年，超导技术使得谷歌能够大放厥词，宣布其“量子霸权优势”，量子计算机首次执行了比最佳经典计算机能力更强大的运算。

但是，离子阱技术在制造商用量子计算机方面，越来越受到关注。

今年早些时候，霍尼韦尔推出了其第一台量子计算机，使用离子阱作为量子比特的基础，不为人知的是，这项研究已经悄悄地进行了十多年，虽然后进入者很多，但霍尼韦尔是第一家采用这种方式的老牌企业。

今年10月，霍尼韦尔又发布了一款升级的机器H1，并规划了未来十年量子计算路线图。

图1｜霍尼韦尔量子计算机的离子阱（来源：霍尼韦尔）

上个月，IonQ也发布了离子阱量子计算机，可与IBM和谷歌相媲美。尽管IonQ还没有公布其性能细节，但一些规模较小的公司——例如英国的Universal Quantum和奥地利的Alpine Quantum Technology——也在吸引投资，来用于离子阱项目。

离子阱量子计算机并非新奇事物，早在1995年第一个基本量子电路中量子比特中，离子阱就有所应用，远先于超导。

美国国家标准与技术研究院（NIST）的量子物理学家丹尼尔·斯里希特（Daniel Slichter）表示，将所有的努力都用以构建一个商业系统，倒是十分新奇。

图2｜霍尼韦尔在真空室内的离子阱（来源：霍尼韦尔）

IonQ的共同创始人Chris Monroe说：“我认为现如今人们将“超导”和“离子阱”相提并论为时过早，即使在五年前，这种说法都未曾出现过。”

量子计算仍处于起步阶段，尽管各个公司都在声称拥有最先进的技术，但现在断定某种硬件会占上风还为时过早。

随着一系列技术的发展，这个领域的规模将更加广阔。

大量的计算

任何具有两种状态的量子力学系统（例如超导环路中的振荡或离子的能级）——都可以形成量子比特，但硬件系统都有其优缺点，都面临着形成一台成熟的量子计算机的挑战。

一台符合原始期望值的量子计算机，比如说可以用来破解传统加密系统的机器，需要数百万个独立的可控量子比特。

但是量子比特的大小并不是唯一的问题，其质量和彼此之间的连接程度，也相当重要。

随着量子比特连接数量的增加，由噪音引起的错误频率，在连接过程中也往往会增加。数百万个量子比特一同计算时，计算过程中出现的错误应到足够小，小到可以进行自我纠错。而物理学家们都希望其出错率极小，以至于在嘈杂环境中也可以正常运作。

利与弊

在过去的几年中，超导的快速发展可能会使离子阱望尘莫及。谷歌、IBM和其他公司已经开发出了约50个（或许更多）高质量量子比特的机器。IBM的目标是到2023年拥有1000个量子比特的计算机。

加利福尼亚大学的量子物理学家、谷歌的量子硬件负责人（直至今年四月）John Martinis认为，谷歌将使用与取得量子优势时相同的基本架构，来实现下一个重大里程碑——纠错。

迄今为止，超导量子比特从多家公司的使用习惯中受益，因为它们的基本组件与经典芯片技术是兼容的。但在电场中，单个带电原子能级内，存储信息的离子阱量子比特，有许多固有的优势。

与超导量子比特相比，其操作不易出错，且单个离子的微妙量子状态持续的时间更长。而超导量子比特虽然很小，但仍由大量原子组成。

此外，超导量子比特往往只与它们最近的邻域相互作用，而离子阱量子比特则可以与许多其他离子相互作用，这使得运行一些复杂计算时更加容易。

而且一个阱中能够容纳的离子也是有限的，IonQ最新的模型包含32个离子阱量子比特，用激光拔出任意两个都会产生相互作用。

为了扩展到数百个量子比特，该公司正在研究利用光子将多个量子比特连接起来的方法，其目标是每年将量子比特的数量增加一倍或更多。

图3｜霍尼韦尔量子计算机的控制室（来源：霍尼韦尔）

与此同时，霍尼韦尔计划通过物理方式，将每个离子在一个巨型芯片上进行相互连接，而这一想法是NIST早在上世纪90年代末提出的。

霍尼韦尔量子计算机的最新系统仅有10个量子比特，但其首席科学家表示，正在进行下一代系统的研发。

未来五年，计划连接约20个量子比特，使这台机器能够处理经典计算机上本不可能处理的问题。

挑战就在于，既要保证量子比特的质量和精度，又要同时控制数十个甚至数百个量子比特。而这项挑战无论是霍尼韦尔，还是IonQ，都未战胜。

尽管许多必要组件的发展已炉火纯青，但需要的是一个系统级别的综合方法，将所有组件组合在一起，对其进行测试，用其解决问题。

胜者尚不明确

投资者没有将目光局限于离子阱硬件设备，超导量子比特的成功为各种技术打开了大门。其中包括硅基自旋量子比特，它将量子信息，储存在嵌入硅晶体的，原子的核自旋状态中。

这场比赛还远远没有开始，胜利者可能永远不会出现。最终，也许没有哪个平台称得上是成功者，但是各个不同的平台，处理各个不同的任务，这样的组合是趋于完美的。