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“在大約10年前，量子計算似乎還只是一樁有趣的實驗室概念。不過從那時起，一個關于量子計算的完整全球化生態系統就開始形成了。”這是法國量子計算初創公司Alice & Bob的產品經理洛朗·普羅斯特 (Laurent Prost) 的印象。

任職于微軟的量子計算專家克里斯塔·斯沃雷 (Krysta Svore) 則言簡意賅：“量子計算機正在做事。”

那么，是做什么事呢？就實際應用而言，量子計算機仍相當受限，至少目前來看，它無法解決傳統計算機解決不了的問題。想要堪當大任，它必須擁有足夠大的規模，以運行足夠復雜的計算，并且做到犯足夠少的錯誤，以確保其計算足夠有意義。但這兩方面的追求是相互矛盾的：向設備添加更多量子比特 (量子計算機的基本單位) 通常會導致更多錯誤。

為解決上述問題，研究人員開始用物理量子比特組出“邏輯量子比特”，后者擅長在錯誤發生時捕捉和修復錯誤。斯沃雷指出：“你要能檢測錯誤、糾正錯誤，并保證能在計算過程中完成這些事。”

因此，打造真正實用的量子計算機的基本途徑，是構建一個具備盡可能多的邏輯量子比特的設備。不過現實中，大家選擇的具體路線和方法各不相同。

打造實用量子計算機的競賽已經開始

美國初創公司Atom Computing做出了迄今為止最大的量子計算機。該設備有1180個量子比特，它們由超冷中性鐿原子組成。

另一家來自法國的初創公司Pasqal近期報告稱，其在量子計算處理器中組裝了1110個原子，但并未將它們用于計算。

另一方面，中國科學技術大學的研究小組發現，人工智能可用于使這種組裝更加快速和簡便。

Atom Computing的創始人兼CEO本·布盧姆 (Ben Bloom) 表示：“我們取得了驚人的進展，已經從‘能否建立一個系統？’的階段發展至‘能否將其建設得更好？’。我認為中性原子占主導地位。”

不過光有原子數量可能不夠。正如英偉達的量子計算市場經理尼古拉斯·哈里根 (Nicholas Harrigan) 所言：“打造實用的量子計算機不僅僅要求你更好地構建量子比特。”英偉達沒有自己做量子計算硬件，而選擇與別人合作。

傳統計算機行業的其他巨頭也持類似思路。例如微軟就在2024年與Atom Computing合作，通過量子糾纏創建了24個邏輯量子比特，這是邁向實用設備的必要第一步。

當然，要比數量的話，致力于用中性原子構建量子計算機的初創企業QuEra更勝一籌，其設備一度以48個邏輯量子比特領先全行業。而目前擁有最多邏輯量子比特的計算機來自英國初創公司Quantinuum——成功實現50個邏輯量子比特的糾纏。

公司CEO拉吉布·哈茲拉 (Rajeeb Hazra) 表示，今年晚些時候，他們將推出一款新的量子計算機，其編碼信息量會比已創紀錄的機器多一萬億倍。

靈活性是王道

Quantinuum使用由電磁場束縛的帶電鐿離子，而非中性原子。

牛津大學衍生公司Oxford Ionics和美國IonQ等公司也在研究這些“束縛離子”量子比特。

IonQ的量子工程師約翰·甘布爾 (John Gamble) 表示，這類硬件的一個優勢是能輕松切換量子比特間的連接，因此更適合忠實地執行許多不同算法，包括以不同方式將物理量子比特連接到邏輯量子比特從而進行糾錯。“現在靈活性和多功能性是王道。”

作為量子計算行業的引領者，谷歌早在2019年便率先宣稱取得“量子霸權”，因為其量子計算機能運行傳統機器永遠做不到的計算。 (此說法后來受到質疑。)

到了2024年，谷歌再次“秀肌肉”，推出一款名為Willow的新芯片。據稱，Willow芯片能于5分鐘內完成一項特定計算任務，相比之下，全球最頂尖的傳統超級計算機需要大約 10 25 年。 （詳見： ）

谷歌和IBM都使用微型超導電路來制造量子比特。這種電路有其優勢：一方面，它們能比原子和離子電路更快地執行計算；另一方面，它們往往更加可靠。由中性原子實現的一些量子比特總存在脫離其精確校準、激光控制的量子態的風險。

但具備上述優勢似乎不足以稱雄。超導量子比特是原位連接的，且只能與最近的鄰居輕松連接，這就決定了，新近開發的幾種糾錯算法更難實現，進一步試驗這些代碼的工作也更難開展。

布盧姆表示他曾研究過其他類型的量子計算機，但后來將重點轉向中性原子量子比特，因為它們似乎為該領域的根本性挑戰提供了更多解決方案。超導方法曾是業界寵兒，但眼下可能失去方向。

當然，這并不是說谷歌的努力都白費了。正如已經證明的，在Willow芯片的邏輯量子比特中添加更多物理量子比特，可提高其糾錯能力，而這是制造大型量子計算機的關鍵一步。

擴大規模

IBM研發的Condor量子處理器只比Atom Computing創紀錄的機器少了59個量子比特。此外，他們有望于2026年推出突破4000量子比特的設備。為了這個目標，IBM正努力開發量子計算機組件，力求能將現有設備連接到更大更強的機器中。該公司認為，這也將使他們能比谷歌等直接競爭對手實現更多糾錯碼。

美國量子集成電路開發商Rigetti Computing的首席技術官大衛·里瓦斯 (David Rivas) 同樣專注于超導量子比特研究。在他看來，超導量子計算機沒走人死胡同。就目前而言，這類的設備有其價值。Rigetti Computing推出過9量子比特芯片，以及更大規模的84量子比特處理器。里瓦斯表示，公司已向政府實驗室和商業企業出售量子計算機，主要用于進一步探索該技術。

前文提到的Alice & Bob公司也使用超導元件制造量子比特，但其基本設計有所不同，優先考慮在創建邏輯量子比特之前進行錯誤抑制。正因如此，該公司的研發團隊相信，他們能用數以千計的量子比特實現完全無錯誤的量子計算，而競爭對手可能需要構建數以百萬計的量子比特。Alice & Bob尚未演示任何邏輯量子比特，但計劃在2030年之前擁有一臺真正有用的量子計算機。

美國量子計算初創公司PsiQuantum的計劃似乎最具野心。他們已放棄對多量子比特設備的演示和實驗，而計劃于2027年推出一臺大規模、類似超級計算機的量子計算機，機器的量子比特將由光子構成。研發團隊專注于將傳統復雜的組件 (如控制光子的激光器和透鏡) 集成到可輕松實現工業規模生產的半導體芯片上。

其他聚焦光子的量子計算企業選擇了更傳統的路線。2021年，加拿大的Xanadu公司展示了一款可執行多種算法的光子量子計算芯片，法國的Quandela已在銷售一款采用模塊化設計的12量子比特設備。

有如此多平臺競逐于量子比特賽場，誰能成為領頭羊？

作為行業的長期觀察者，加州理工學院的理論物理學家約翰·普雷斯基 爾 (John Preskill) 暫時更看好中性原子路線。他認為，我們更有望制備大量原子并以適合量子算法的方式連接它們，因此它們未來可期。

“中性原子量子計算機用幾萬個量子比特就能做到的事，超導量子計算機可能需要數十萬個量子比特才干得明白。”

若向更遠處看，最理想的量子比特或許應當是我們看不見的那種，未來的工程師能將量子計算視作比肩傳統超級計算或人工智能的另一種重要計算資源，而非仍需思索其硬件細節的奇工異器。

布魯姆說道：“我希望最終的景象是，物理量子比特不再被任何人琢磨，而量子計算機能解決真正影響生活的大問題。”

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