建造实用量子计算机的竞赛可能正在进入一个新的阶段。一些领先的技术现在面临着规模的限制，而其他技术正在迅速赶超。
多年来，有两种主要的方法使物理学家得以取得进展，部分原因是通过在设备中塞入越来越多的量子比特（相当于计算机内存比特的量子）。其中一种方法是将量子比特编码为超导环路上运行的电流。另一种是利用被电磁场困在真空中的单个离子的激发态。
IBM 的量子计算系统的中心有一个低温恒温器来冷却量子芯片。图片来源：IBM
但在过去的两年里，由单个中性原子组成并用激光制成的“镊子”固定的量子比特突然变得具有竞争力。其他处于更早期发展阶段的技术可能会迎头赶上。
荷兰代尔夫特理工大学量子研究所 QuTech 的理论物理学家Barbara Terhal说：“超导量子比特和捕获离子量子比特进行了最先进的实验，控制了最多的量子比特。然而，这并不能保证这些平台将保持领先地位。”
对量子比特的探索
量子计算机有望通过利用量子叠加等现象来解决经典机器无法解决的问题，在量子叠加中，一个物体可以同时存在于两种状态，例如，既顺时针又逆时针旋转。物理学家称这种状态为量子比特，以区别于只能为“0”或“1”的普通比特。
众所周知，量子态是脆弱的。在量子计算机中，它们携带的信息可以跨越多个量子比特以形成“纠缠”状态：往往会随着计算的进行而退化或丢失。为了尽可能长时间地保持状态，量子比特必须与环境隔离。但它们不能彼此过于孤立，因为它们必须相互作用才能执行计算。
除其他因素外，这使得构建有用的量子计算机具有挑战性。但该领域的发展比 QuTech 研究主管 Lieven Vandersypen 十年前所预料的要远。“进展实际上令人印象深刻。”
谷歌在 2019 年成为头条新闻，当时它声称一台由 54 个超导量子位组成的机器进行了第一次量子计算，这在经典计算机上可能需要花费不可思议的时间，这一成就被研究人员称为量子优势。在超导量子比特领域投入巨资的科技公司 IBM 预计将在未来几个月内达到一个里程碑，届时它将推出名为 Condor 的量子芯片，这是第一个突破 1,000 量子比特大关的芯片。
去年 11 月，该公司宣布推出其之前的芯片 433 量子比特 Osprey——这是 127 量子比特 Eagle 的后续产品，后者在 2021 年创下了记录。“我们真的很想制定一个路线图，就像对半导体行业的期望一样，”纽约约克镇高地 IBM Thomas J. Watson 研究中心量子计算机项目负责人 Jerry Chow 说。
量子比特的质量和数量
Chow 表示，IBM 的目标不仅是增加量子比特的数量，而且还提高它们的质量。他说，该公司的一些超导元件可以保持其量子态超过 300 微秒，这是该技术的一项记录。在另一个关键指标中，涉及两个量子比特的 99.9% 操作是没有错误的。
一旦芯片上的超导量子比特的数量远远超过 1,000，扩大规模就变得不切实际，因为每个量子比特都需要单独连接到外部电路以进行控制和读出。因此，IBM 将采用模块化方法。从 2024 年开始，其路线图上的每一步都不会增加芯片上的量子比特数量，而是将多个芯片连接到一台机器上，如果连接必须携带量子态不受伤害或帮助量子比特纠缠在不同的芯片上，这不是一件容易的事情。这些芯片是包裹在低温系统中的大型装置的核心，使芯片保持接近 0 开尔文。
捕获离子计算机可能比超导计算机具有更严格的尺寸限制，部分原因是它们需要单独的激光设备来控制每个离子。通常，这意味着将陷阱限制在每个芯片大约 32 个离子的行列中。但 IonQ 是一家从马里兰大学帕克分校分拆出来的初创公司，该公司表示，其方法使其能够将多行离子封装到一个芯片中，可能达到 1,024 个量子比特。除此之外，IonQ 还计划转向模块化方法，连接多个芯片。据该公司发言人称，在实验室实验中，被困离子的保真度高达 99.99%。
光镊技术捕获中性原子
另一种技术可能很快也会突破 1,000 量子比特的障碍。这项技术使用紧密聚焦的激光束捕获中性原子，称为光镊，并在原子的电子态或原子核的自旋中编码量子比特。这种方法已经逐步发展了十多年，现在它正在“蓬勃发展”，马萨诸塞州剑桥市哈佛大学的物理学家 Giulia Semeghini 说。
为了组装多个量子比特，物理学家将一束激光束分成多束，例如让激光束穿过由液晶制成的屏幕。这可以创建数百个镊子的阵列，每个镊子捕获自己的原子。这些原子通常与其相邻原子相距几微米，它们可以在量子态中持续数秒或更长时间。为了使原子相互作用，物理学家将一个单独的激光指向其中一个原子，使其进入激发态，在这种状态下，外层电子的轨道离原子核的距离比正常情况下远得多。这增强了原子与邻近原子的静电相互作用。
研究人员使用镊子构建了 200 多个中性原子阵列，他们正在迅速结合新技术和现有技术，将这些技术变成功能齐全的量子计算机。
该技术的一个主要优点是物理学家可以将多种类型的镊子与它们携带的原子组合在一起，其中一些可以快速移动。哈佛大学物理学家 Dolev Bluvstein 说：“每次你想让它们中的两个相互作用时，你就把它们放在一起。” 这使得该技术比超导体等其他平台更灵活，在超导体中，量子毕业只能与其在芯片上的直接邻居相互作用。包括 Semeghini 和 Bluvstein 在内的团队在 2022 年 4 月的一篇论文中展示了这种灵活性。
视频链接：https://youtu.be/qsPSi01peLU
Semeghini 说，基于镊子的量子比特应该很快就会达到 99% 的无错误，尽管进一步的改进将需要大量的工作。
中性原子的改进速度令量子计算界感到惊讶。“扩展到数千个原子量子比特的路径很明确，可能会在两年内实现，”中国科学技术大学的物理学家陆朝阳说。
自旋量子比特
其他量子比特技术仍处于起步阶段，但正在稳步推进。一种方法是将信息编码在单个电子的自旋中，这些电子被传统半导体（例如硅）内部的电场捕获。去年，Vandersypen 和他的合作者展示了这种完全可用的六量子比特机器。与光学镊子的情况一样，电子自旋可以在设备周围穿梭，以根据需要将它们带到其他电子自旋旁边。但就像其他类型的量子比特一样，一个主要的困难是防止自旋在不应该的情况下相互影响，物理学家称之为串扰。
基于半导体的量子位的好处是能够在生产当前计算机芯片的同一类型工厂中制造芯片，由澳大利亚悉尼新南威尔士大学的物理学家 Michelle Simmons 领导的团队组装了这些设备使用自动扫描隧道显微镜的尖端正逐个组装设备。“一切都以亚纳米级的精度图案化，”她说。
另一种方法仍处于概念阶段，但它已获得大量投资，尤其是来自微软的投资。该技术旨在利用“拓扑状态”使量子比特对退化具有鲁棒性，就像可以扭曲和拉动但不能解开的打结的绳子一样。2020 年，研究人员观察到了一种拓扑保护的基本物理机制，目前他们正致力于展示第一个拓扑量子比特。
“今天追求的每个平台都有一些前景，但开发它可能需要你无法预测的真正新颖的想法，”Vandersypen 说。在中国科学技术大学从事多种量子计算方法研究的物理学家潘建伟对此表示赞同。当谈到开发量子计算机的竞赛时，“现在说哪个候选人会获胜还为时过早”。
