量子計算機的走出實驗室的速度也許會超出人們的預期。近日，愛爾蘭初創公司Equal1發布了首臺硅基量子計算機Bell-1，它可以走出實驗室部署進普通服務器機房，接上電源就能用。

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量子計算機為何難以走出實驗室

量子計算機要走出實驗室，需要克服一系列科學技術、工程和商業挑戰。

對于量子計算機來說，每增加一個量子比特，同時處理的狀態數量就會翻倍，理論算力就能獲得指數級增長。當前超導量子計算機的比特數雖然已經超過2000個（IBM），但量子狀態維持時間和糾錯率距離商用需求還有不小的差距。

超導量子產自超導材料，需要在接近絕對零度（10mK，-273.14℃）的環境中才能穩定工作，這需要一臺3米×3米的稀釋制冷機并提供液氦、液氫等制冷劑才能運行。而且這種稀釋制冷機本身功耗就有20kW，而一臺經典服務器的功耗只有它的十分之一。

首臺硅基量子計算機Bell-1

由于維持冷卻設備和精密設備的成本高昂，制造一個超導量子比特的成本介于1000到50000 美元之間。

高昂的成本、龐大且復雜的專業設備都限制了量子計算機的實用步伐。

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專為機房設計的量子計算機

這款量子計算機以提出貝爾不等式（Bell's inequality）的物理學家約翰·斯圖爾特·貝爾（John Stewart Bell）命名——Bell-1。它的設計者認為這臺量子計算機能解決制冷設備維護困難、體積龐大和維護成本高等的問題。

硅基量子集成芯片

Equal1公司在硅基量子領域技術不俗，之前曾創下了硅量子比特最高的單量子比特和雙量子比特門保真度（意味著錯誤更少）及門速度（意味著操作更快）。

與常規超導量子計算機依賴超導材料產生量子比特不同，Bell-1利用硅基材料中的電子自旋作為量子比特。硅基自旋量子比特具有超長的量子退相干時間，以及與現代半導體工藝技術兼容的高可擴展性等優勢。

在制造技術上，硅基量子芯片可以使用傳統硅基計算機的芯片制造技術，并且量子晶體管（用于量子比特）和經典晶體管（用于常規計算任務）兩者可以直接結合在單個硅基芯片中。這讓它的生產技術難度降低，擴展性增強，制造成本可控。

硅基量子集成芯片

最終這臺機器的核心芯片集成了量子處理單元（QPU）、Arm CPU（傳統處理器）和神經處理單元（用于加速機器學習和人工智能），將它們整合到一個芯片上能讓量子計算能更好地融入經典計算中。

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能裝入標準機架

Bell-1設計目標是能在高溫、噪音和混亂的高性能計算數據中心中無縫運行。

硅基量子芯片的工作溫度稍高于絕對零度，為0.3開爾文（-272.85℃），這一點點溫度的差異就讓它擺脫了稀釋制冷機（提供mk的溫度）的束縛。Equal1研制了無需額外維護的“封閉式循環低溫冷卻器”，這樣它就擺脫了量子計算機對專用房間、復雜基礎設施和冷卻系統的需求。

封閉式循環低溫冷卻器

它的體積從3米見方縮小到600mm×1000mm×1600mm，尺寸與現有的圖形處理單元（GPU）服務器大致相同。重量200公斤，運行功率為1600W與企業服務器相當。這讓它能直接裝進數據中心的機架，然后直接插入標準電源插座，而無需對機房做任何改造，就能無縫集成進機房環境中。

與現有服務器體積相當

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僅6個量子比特但可擴展

這款量子計算機僅包含6個量子比特，集成了錯誤糾正、控制和讀出功能，目前僅能用于量子加密和簡單的量子加速計算中。

利用硅基量子芯片與硅基半導體天然的兼容性，它的未來能有更好的可擴展性，從而可以將量子計算用于AI、金融建模、藥物研究和材料科學等研發領域。Equal1公司承諾新機型能在目前的版本的基礎上升級，而無需購買新機器。

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編輯｜張毅

主編｜黎坤

總編輯｜吳新

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