“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(tài)系統(tǒng)就開始形成了。”這是法國量子計算初創(chuàng)公司Alice & Bob的產(chǎn)品經(jīng)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(tǒng)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(guī)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(fā)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(xiàn)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(jīng)開始

美國初創(chuàng)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(chuàng)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(fā)現(xiàn)，人工智能可用于使這種組裝更加快速和簡便。

Atom Computing的創(chuàng)始人兼CEO本·布盧姆 (Ben Bloom) 表示：“我們?nèi)〉昧梭@人的進展，已經(jīng)從‘能否建立一個系統(tǒng)？’的階段發(fā)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(shù)量可能不夠。正如英偉達的量子計算市場經(jīng)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(tǒng)計算機行業(yè)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(chuàng)建了24個邏輯量子比特，這是邁向?qū)嵱迷O備的必要第一步。

當然，要比數(shù)量的話，致力于用中性原子構建量子計算機的初創(chuàng)企業(yè)QuEra更勝一籌，其設備一度以48個邏輯量子比特領先全行業(yè)。而目前擁有最多邏輯量子比特的計算機來自英國初創(chuàng)公司Quantinuum——成功實現(xiàn)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(chuàng)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(yōu)勢是能輕松切換量子比特間的連接，因此更適合忠實地執(zhí)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(xiàn)在靈活性和多功能性是王道。”

作為量子計算行業(yè)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(tǒng)機器永遠做不到的計算。 (此說法后來受到質(zhì)疑。)

到了2024年，谷歌再次“秀肌肉”，推出一款名為Willow的新芯片。據(jù)稱，Willow芯片能于5分鐘內(nèi)完成一項特定計算任務，相比之下，全球最頂尖的傳統(tǒng)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(yōu)勢：一方面，它們能比原子和離子電路更快地執(zhí)行計算；另一方面，它們往往更加可靠。由中性原子實現(xiàn)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(tài)的風險。

但具備上述優(yōu)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(fā)的幾種糾錯算法更難實現(xiàn)，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(zhuǎn)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(zhàn)提供了更多解決方案。超導方法曾是業(yè)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(jīng)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(guī)模

IBM研發(fā)的Condor量子處理器只比Atom Computing創(chuàng)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(fā)量子計算機組件，力求能將現(xiàn)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(xiàn)更多糾錯碼。

美國量子集成電路開發(fā)商Rigetti Computing的首席技術官大衛(wèi)·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(guī)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(yè)企業(yè)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(yōu)先考慮在創(chuàng)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(fā)團隊相信，他們能用數(shù)以千計的量子比特實現(xiàn)完全無錯誤的量子計算，而競爭對手可能需要構建數(shù)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(chuàng)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(guī)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(fā)團隊專注于將傳統(tǒng)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(xiàn)工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的半導體芯片上。

其他聚焦光子的量子計算企業(yè)選擇了更傳統(tǒng)的路線。2021年，加拿大的Xanadu公司展示了一款可執(zhí)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(yè)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(shù)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(tǒng)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(jié)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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本文轉(zhuǎn)載自《世界科學》微信公眾號

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