轉載：科學(xué)網(wǎng)

                     
                                           Chris Monroe在檢驗設備。圖片來(lái)源：Cameron Davidson

       一個(gè)周日的下午，量子計算創(chuàng )業(yè)公司ionQ的兩位聯(lián)合創(chuàng )始人正和他們的首位受雇人——新CEO，開(kāi)戰略會(huì )議。坐在美國馬里蘭大學(xué)的物理學(xué)樓里舒適的皮椅上，兩位創(chuàng )始人正體驗著(zhù)一絲文化碰撞。

       這兩位從事研究的科學(xué)家：馬里蘭大學(xué)物理學(xué)家Chris Monroe和杜克大學(xué)電子工程師Jungsan Kim很放松，甚至在記者面前大談公司規劃。他們列舉了為何選擇束縛離子，他們的專(zhuān)長(cháng)將有助于打造一臺偉大的量子計算機——完美的再現性、耐久性以及利用激光實(shí)現良好的可控性。

       而新CEO David Moehring是Monroe和Kim剛從美國IARPA雇來(lái)的，他更警覺(jué)。他警告Monroe和Kim不要泄露創(chuàng )業(yè)公司應保密的信息——包括從風(fēng)投那里獲得的投資額。Kim對Moehring點(diǎn)著(zhù)頭并輕笑?！霸谀硞€(gè)時(shí)點(diǎn)，這個(gè)家伙會(huì )要求我們的談話(huà)經(jīng)過(guò)他的許可?！?/span>

       黃金時(shí)代

       不過(guò)，這幾個(gè)看似不可能的合伙人都有一個(gè)共同的信念：量子計算已經(jīng)準備迎來(lái)黃金時(shí)期。該技術(shù)旨在利用量子力學(xué)大幅加速計算。他們并非孤軍奮戰?？萍季揞^英特爾、微軟、IBM和谷歌正投入數千萬(wàn)美元到量子計算。然而這些競爭者正將賭注下給不同的技術(shù)黑馬：無(wú)人知曉驅動(dòng)一臺實(shí)用的量子計算機需要什么類(lèi)型的量子比特。

       谷歌常被視為這一領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊，該公司已經(jīng)宣布了其選擇：微型超導電路。其研究團隊打造出一臺9量子比特的機器，并希望一年內擴展至49量子比特——這是一個(gè)重要門(mén)檻。在50量子比特階段，許多人認為一臺量子計算機就可以成為“量子霸權”。這是加州理工物理學(xué)家John Preskill創(chuàng )造的詞匯，以表示一臺可以完成超越傳統計算機的量子計算機，比如模擬化學(xué)和材料科學(xué)分子結構或解決機器學(xué)習中的某些問(wèn)題。

       ionQ團隊并沒(méi)有被谷歌的成功所折服?！拔也⒉粨墓雀钑?huì )在下個(gè)月宣布游戲結束?！盞im說(shuō)，“或者他們可以這么宣布，但游戲并未結束?！钡玦onQ有很多劣勢——沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的辦公室，甚至還沒(méi)有網(wǎng)站。這家創(chuàng )業(yè)公司仍然在堅持束縛離子，這也是世界上最早的量子邏輯門(mén)背后的技術(shù)，由Monroe本人在1995年親自幫助創(chuàng )造出來(lái)的。使用精準調制的激光脈沖，Monroe可以將離子激發(fā)到可以維持數秒的量子態(tài)——這比谷歌的量子比特維持時(shí)間長(cháng)多了。Kim已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了一個(gè)可以將離子群連接到一起的模塊化方案。

       到目前為止，其中最好的成績(jì)也不過(guò)是實(shí)現了5個(gè)量子比特的可編程機器。Monroe承認：“束縛離子現在有點(diǎn)像怪物，但我認為未來(lái)幾年人們會(huì )蜂擁而至?！?/span>

       有一件事是確定無(wú)疑的：打造一臺量子計算機已經(jīng)不再是一些科學(xué)家的遙遠夢(mèng)想了，而是成了一些最大型公司的直接目標。盡管對產(chǎn)業(yè)界玩家而言，超導量子比特可能 已經(jīng)獲得了領(lǐng)先的發(fā)展勢頭，但相關(guān)專(zhuān)家都認為現在要說(shuō)哪種技術(shù)已獲勝還為時(shí)尚早?！斑@些技術(shù)在齊頭并進(jìn)地開(kāi)發(fā)著(zhù)，這是件好事?！盤(pán)reskill說(shuō)，“還可能會(huì )有驚喜，并改變現在的局面?！?/span>

       快并脆弱

       量子比特能秒殺傳統計算機比特得益于兩個(gè)獨特的量子效應：量子疊加和量子糾纏。量子疊加能讓一個(gè)量子比特的值不單止于0或1，而是在同一時(shí)間同時(shí)具備這兩種狀態(tài)，這可以實(shí)現同步計算。量子糾纏能讓一個(gè)量子比特與空間上獨立的其他量子比特共享自身狀態(tài)，創(chuàng )造出一種超級疊加，每個(gè)量子比特的處理能力因此翻倍。理論上，只要300全糾纏的量子比特就能支持比宇宙中原子數量更多的平行計算。

       這種大規模并行可能在很多任務(wù)上并沒(méi)有價(jià)值——沒(méi)有人認為量子計算機會(huì )徹底改變文字處理或電子郵件。但其可以極大地加速被設計用來(lái)同時(shí)探索大量不同路徑的算法，例如，大數據搜索和發(fā)現新型的化學(xué)催化劑。量子計算機也可以在物理學(xué)領(lǐng)域被用來(lái)模擬黑洞或其他現象。

       但還有很多工作要做。量子疊加態(tài)和糾纏態(tài)非常脆弱。來(lái)自環(huán)境的輕微擾動(dòng)就能將其破環(huán)——甚至對其進(jìn)行觀(guān)測就會(huì )破壞其狀態(tài)。量子計算機需要被保護起來(lái)，以免受耶魯大學(xué)物理學(xué)家Robert Schoelkopf所說(shuō)的“經(jīng)典混沌之?！钡母蓴_。

       雖然相關(guān)理論在20世紀80年代初就開(kāi)始萌芽，但實(shí)驗量子計算直到1995年才得以發(fā)展。1995年，新澤西州貝爾實(shí)驗室一位名叫Peter Shor的數學(xué)家，證明了運用量子計算機能有效地進(jìn)行大數的因式分解，這種能力使得現代密碼學(xué)在量子計算機面前變得不堪一擊。Shor和其他一些學(xué)者也證明，從理論上說(shuō)通過(guò)鄰近的量子比特來(lái)糾正錯誤，一直保持脆弱量子比特的穩定性是可能實(shí)現的。

       一時(shí)間，許多物理學(xué)家及其資助人也都開(kāi)始研發(fā)量子計算機，并且表明這個(gè)機器不會(huì )變成一大堆級聯(lián)錯誤。諾獎得主、科羅拉多州博爾德國家標準技術(shù)研究所（NIST）物理學(xué)家David Wineland，率先提出了激光冷卻離子并控制其內部量子態(tài)的方法。在Shor的研究發(fā)布之后不到一年，Wineland和當時(shí)供職于NIST的Monroe就通過(guò)用激光控制鈹離子中的電子態(tài)的方法，建立了第一個(gè)量子機制邏輯門(mén)。Monroe說(shuō)：“正是因為Wineland在離子方面的研究，我們才能在早期的量子計算實(shí)驗中把握領(lǐng)先趨勢?！?/span>

       多管齊下

       隨著(zhù)世界各地政府將大把經(jīng)費投向量子物理研究團體，其他一些類(lèi)型的量子比特開(kāi)始出現了。21世紀初，束縛離子的概念受到了另一個(gè)新概念的挑戰：由超導體制成的回路。這里所使用的超導體是一種帶有振蕩電路的金屬材料，其在冷卻到接近絕對零時(shí)沒(méi)有電阻。量子比特的0和1與不同的電流強度相對應?；芈吠ㄟ^(guò)肉眼便可以觀(guān)察，不需要用到激光，用簡(jiǎn)單的微波電子技術(shù)就可以控制，制作過(guò)程只需要使用常規的計算機芯片制造技術(shù)。此外，回路的運行也非?？?。

       但超導體有一個(gè)致命的弱點(diǎn)：環(huán)境噪音。即使是用來(lái)控制它們的電子設備，都能在不到一微秒內打亂其量子疊加態(tài)。但工程技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)將回路的穩定性提高了至少100萬(wàn)倍，所以現在它們保持疊加態(tài)的時(shí)間可以達到幾十微秒，雖然維持時(shí)間仍比離子短得多。

       2007年，加拿大本那比D-Wave Systems公司發(fā)布了一則令人震驚的消息，它宣布研制成功了16個(gè)量子比特的超導量子計算機。該計算機所依賴(lài)的是一種叫做量子退火的技術(shù)，在這種技術(shù)當中，量子比特可以和鄰近的量子比特糾纏，交互產(chǎn)生一個(gè)單獨的整體量子態(tài)，而不是一系列并行計算。

       盡管批評聲接踵而至：D-Wave甚至沒(méi)有嘗試解決那些對量子計算來(lái)說(shuō)至關(guān)重要的問(wèn)題，例如糾錯。但各大公司仍對這種設備趨之若鶩，谷歌和洛克希德馬丁公司都成了D-Wave的客戶(hù)。D-Wave讓一些公司開(kāi)始展開(kāi)思路?！八屛覀儽犻_(kāi)了雙眼，D-Wave的出現預示著(zhù)這個(gè)市場(chǎng)正在形成，需求已經(jīng)出現?！盡onroe說(shuō)。

       而英特爾在2015年宣布，將對源自荷蘭代爾夫特科技大學(xué)的QuTech公司投入5000萬(wàn)美元，開(kāi)發(fā)硅量子點(diǎn)。它也經(jīng)常被稱(chēng)為“人工原子”，每個(gè)點(diǎn)量子比特是一塊小材料，其中結構就像原子一樣，電子的量子態(tài)可以用來(lái)表示0和1。不同于離子或原子，量子點(diǎn)不需要用激光?！拔艺J為英特爾的心臟是由硅組成的?！盦uTech科學(xué)總監 Leo Kouwenhoven說(shuō)，“這就是為什么他們擁有如此地位的原因?！?/span>

       微軟的行動(dòng)看起來(lái)更加有遠見(jiàn)：基于非阿貝爾任意子的拓撲量子比特。而谷歌已經(jīng)招募到了加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校超導量子比特專(zhuān)家 John Martinis。7月，Martinis的團隊用3個(gè)超導量子比特成功地模仿了一個(gè)氫分子的基態(tài)能，證明量子計算機和常規計算機一樣具備模擬簡(jiǎn)單量子系統的能力。

       與此同時(shí)，Monroe正在和束縛離子研究中遇到的挑戰“纏斗”。束縛離子的量子比特可以維持數秒的穩定，這一特性得益于真空腔和電極的作用，它們可以在外部噪聲存在的情況下維持量子比特的穩定。

       即使有大量資金投入，量子計算成為一個(gè)秘密商業(yè)領(lǐng)域還有很長(cháng)的路要走。更重要的是，沒(méi)有人足夠了解量子計算，所以也就沒(méi)人能說(shuō)用哪一種量子比特就能實(shí)現量子計算機。在擴展實(shí)用的量子計算機之前，每一種方面都還需要經(jīng)過(guò)精心的調制細化。超導基量子比特和硅基量子比特需要在更大的一致性下制造，而冷卻設備需要高效化。同時(shí)束縛離子需要更快的邏輯門(mén)和更緊湊的激光與光學(xué)器件。拓撲量子位也還需要被創(chuàng )造。

       未來(lái)的量子計算機很可能是一個(gè)混合物，它利用超快的超導量子比特運行算法，然后用更穩定的離子內存輸出，同時(shí)使用光子在該機器的不同部分之間或量子網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)之間穿梭傳遞信息。微軟研究人員Krysta Svore說(shuō)：“可以想象我們會(huì )身處這樣一個(gè)境地：有幾類(lèi)量子比特，它們各自扮演不同角色?！?br />