科技日?qǐng)?bào)記者?劉霞
????英國《自然》網(wǎng)站在6日的報(bào)道中指出，建造實(shí)用量子計(jì)算機(jī)的競(jìng)賽正邁入新階段。此前領(lǐng)先的一些技術(shù)，如超導(dǎo)量子比特等目前正面臨擴(kuò)大規(guī)模方面的限制，而其他“小眾”技術(shù)正迅速迎頭趕上。目前量子計(jì)算技術(shù)路線已呈現(xiàn)“百花齊放”態(tài)勢(shì)，超導(dǎo)、離子阱、中性原子等競(jìng)相“爭(zhēng)奇斗艷”，不過最終“花落誰家”仍是未知數(shù)。
疊加是秘密武器
量子比特相比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)比特更強(qiáng)大，是由于兩個(gè)獨(dú)特的量子現(xiàn)象：疊加和糾纏。疊加使量子比特能夠同時(shí)為0和1，而傳統(tǒng)比特只能為0或1。因?yàn)榱孔盈B加態(tài)中同時(shí)存在多種狀態(tài)，所以可同時(shí)處理多種計(jì)算。
不過，為盡可能長時(shí)間地保持量子態(tài)，量子比特必須與周圍環(huán)境隔離開。但又不能過于孤立，因?yàn)樗鼈儽仨毾嗷プ饔貌拍軋?zhí)行計(jì)算。
荷蘭量子技術(shù)研究機(jī)構(gòu)QuTech的研究總監(jiān)伊文·萬德斯芬表示，這就使建造一臺(tái)實(shí)用量子計(jì)算機(jī)極具挑戰(zhàn)性，盡管如此，該領(lǐng)域最近10年取得的進(jìn)展“令人印象深刻”。
超導(dǎo)“一馬當(dāng)先”
谷歌的量子計(jì)算硬件????圖片來源：《自然》網(wǎng)站
????在多種量子技術(shù)發(fā)展路線中，超導(dǎo)量子比特“一馬當(dāng)先”。2019年，谷歌宣布開發(fā)出54個(gè)量子比特的超導(dǎo)量子芯片，其對(duì)一個(gè)電路采樣一百萬次只需200秒，而當(dāng)時(shí)運(yùn)算能力最強(qiáng)的超級(jí)計(jì)算機(jī)“頂點(diǎn)”需要一萬年，率先實(shí)現(xiàn)了“量子優(yōu)越性”。
在這一領(lǐng)域，IBM公司去年11月宣布推出包含433個(gè)量子比特的量子芯片“魚鷹”，預(yù)計(jì)未來幾個(gè)月，該公司將推出首款擁有1000個(gè)量子比特的量子芯片“禿鷹”。
不過，科學(xué)家也指出，一旦芯片上超導(dǎo)量子比特的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過1000個(gè)，擴(kuò)大規(guī)模就變得非常困難，因?yàn)槊總€(gè)量子比特都需要與外部電路相連以便進(jìn)行控制。因此，IBM計(jì)劃采用模塊化方法，從2024年起將不再執(zhí)著于增加芯片上量子比特的數(shù)量，而是將多個(gè)芯片連接到一臺(tái)機(jī)器上。
IBM公司的量子計(jì)算系統(tǒng)????圖片來源：《自然》網(wǎng)站
離子阱“不甘示弱”
霍尼韋爾量子計(jì)算機(jī)的離子阱????圖片來源：《自然》網(wǎng)站
????離子阱技術(shù)路線由于量子比特相干時(shí)間長、量子比特之間的連接性好、邏輯門操作保真度高等特點(diǎn)備受業(yè)界關(guān)注，現(xiàn)已成為通用量子計(jì)算機(jī)發(fā)展中的領(lǐng)先路線之一。
但離子阱量子計(jì)算機(jī)更難擴(kuò)展，部分原因在于需要單獨(dú)的激光設(shè)備來控制每個(gè)離子。美國初創(chuàng)公司IonQ開發(fā)出的方法能將多行離子封裝到一個(gè)芯片內(nèi)，量子比特的數(shù)量可能多達(dá)1024個(gè)。
IonQ也計(jì)劃采用模塊化方法連接多個(gè)芯片，實(shí)驗(yàn)表明其離子阱量子比特的置信度高達(dá)99.99%。
中性原子“駛?cè)肟燔嚨馈?/span>
光鑷技術(shù)演示圖????圖片來源：《自然》網(wǎng)站
????另一種技術(shù)可能會(huì)突破1000個(gè)量子比特。該技術(shù)使用聚焦的激光束（光鑷）捕獲中性原子，并用原子的電子態(tài)或原子核的自旋編碼量子比特。這種方法已發(fā)展了十多年，現(xiàn)在正“駛?cè)肟燔嚨馈薄?/p>
研究人員已利用光鑷建立了由200多個(gè)中性原子組成的陣列，他們正迅速將新技術(shù)和現(xiàn)有技術(shù)結(jié)合，以用于實(shí)用量子計(jì)算機(jī)的研制過程。
這項(xiàng)技術(shù)的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是，可讓多種類型的光鑷與其攜帶的原子相結(jié)合。這就使該技術(shù)比超導(dǎo)等其他平臺(tái)更靈活。在超導(dǎo)回路內(nèi)，每個(gè)量子比特只能與芯片上的“近鄰”相互作用。
這種方法獲得的量子比特的置信度很快將達(dá)到99%，但進(jìn)一步提升仍需大量研究。
硅自旋電子等“迎頭趕上”
其他量子比特技術(shù)盡管仍處于起步階段。
一種方法是利用被硅等傳統(tǒng)半導(dǎo)體內(nèi)部電場(chǎng)捕獲的單個(gè)電子的自旋作為量子比特編碼信息。去年9月，QuTech團(tuán)隊(duì)在《自然》雜志上發(fā)表論文稱，他們?cè)O(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄的6個(gè)硅基自旋量子比特處理器，能以較低誤差率運(yùn)行，有助于實(shí)現(xiàn)基于硅的可擴(kuò)展量子計(jì)算。盡管該技術(shù)能與先進(jìn)的半導(dǎo)體制造技術(shù)兼容，但與超導(dǎo)等平臺(tái)相比，硅自旋量子比特的規(guī)模目前還很落后，該領(lǐng)域的主要挑戰(zhàn)和重要方向在于擴(kuò)大量子比特?cái)?shù)量的同時(shí)實(shí)現(xiàn)所有組件的高保真度。
還處于概念階段的拓?fù)淞孔颖忍匾勋@得大量投資。理論上，拓?fù)淞孔颖忍乇葌鹘y(tǒng)量子比特具有更低的錯(cuò)誤率，因此能以更低的費(fèi)用實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展量子計(jì)算。微軟公司現(xiàn)在正致力于演示第一個(gè)拓?fù)淞孔颖忍亍?/p>
研究人員指出，這些計(jì)算平臺(tái)都有希望，但最終開發(fā)出實(shí)用型量子計(jì)算機(jī)可能還需更具創(chuàng)新性的想法。
