量子计算机有望解决经典计算机需要数万亿年才能解决的问题。然而，大多数量子计算机的设计都依赖于将硬件冷却到极端温度(远低于-200°C)，这阻碍了它的广泛应用。

近年来，室温量子计算技术取得了进步。那么，开发人员离利用这些成就将量子计算能力带到桌面、取代传统计算硬件还有多远？本文提供了状态更新和展望。

酷酷的技术，超冷的硬件

量子计算机很酷；他们利用叠加和纠缠的亚原子现象。在量子尺度上创建信息位 1 和 0 会导致计算能力的指数优势。然而，众所周知，量子系统容易受到噪声的影响。多个噪声源会降低计算的准确性，甚至会完全破坏量子信息。

要克服的最具挑战性的噪声源之一是热噪声。为了避免这种情况，许多流行的硬件方法都被冷却到超低温。例如，超导量子计算机需要专门的真空泵和低温恒温器。这种设备很昂贵，依赖于氦气并消耗大量空间、水和电力。

迄今为止，冷却量子计算机所需的基础设施阻碍了将量子计算机带到我们的桌面。然而，新的量子计算方法正在出现，包括光子和钻石缺陷设计。这些技术在室温下运行的潜力可以显著提高量子计算的可及性，并最终带来更大的潜在市场。

光子量子比特可以在温暖的温度下生存。

光子平台量子计算使用光来形成量子比特（图 1）。这可以使用单个光子的状态（偏振/压缩）或光子束的量子态（qumodes）来实现。光子自然对热噪声更稳健，如今有多家公司正在生产不需要冷却的早期光子量子处理器。QuiX就是一个例子。

图 1：光子量子计算示意图。可以使用光存储和传输量子位，并使用光学元件进行操作。

虽然用于量子计算的可扩展和多功能光子硬件还有一段路要走，但一些特定应用的设备已经实现。其中包括来自 Orca Computing 的机器，它们能够进行时间仓玻色子采样，这是一种适合机器学习和生成建模的方法。

然而，基于光子学的量子计算方法并非没有挑战。在某些情况下，检测光子以读出量子算法的解决方案仍然依赖于过冷传感器。换句话说，量子比特可能处于室温，但检测它们的技术却并非如此。此外，更先进系统所需的纠缠光源需要进一步开发——例如，专业量子点或半导体纳米结构。虽然光子受温暖温度的影响较小，但它们仍然容易发生波导泄漏。

话虽如此，对光子量子计算的投资正在增加，到 2022 年已超过 5 亿美元。许多对更好的光子源和更低噪声架构的要求正在得到解决，人们对使用它的可扩展和多功能量子计算持乐观态度方法是可以的。该行业正在寻求利用光纤在高速通信中的现有用途，以及政府对用于密码学和网络安全的光子学日益增长的兴趣。

金刚石晶格自然地保护量子位免受噪声影响。

人造金刚石历来因其在量子传感中的应用而被认可，但近年来，该研究已向室温量子计算发展。具有特定缺陷的钻石可以形成双态量子系统，因此形成量子比特。例如，氮空位 (NV) 中心具有可用于表示 1 和 0 的自旋态。NV 中心的受激发射频率取决于这种自旋状态，因此可以使用现成的荧光显微镜来读出算法结果。由于这些量子比特通过钻石中的碳原子晶格自然地与环境中的噪声源隔离，因此它们是室温量子计算的良好候选者（图 2 ）。

图 2：用于在钻石内形成量子比特的 NV 中心示意图。碳晶格保护量子位免受噪音影响，并且可以用微波或激光控制。

事实上，多家公司已经在销售桌面大小的钻石缺陷量子计算机。超级计算中心和航空航天公司投资了 Quantum Brilliance 和 XeedQ 等公司的钻石缺陷技术。尽管如此，使用钻石缺陷证明的量子比特数仍然是个位数。人们普遍认为，要提供最大的商业价值并满足纠错技术的需求，需要数千（如果不是数百万）的量子比特。

一些开发人员计划在未来几年内展示数百个钻石缺陷量子位，但还有大量研究要做，特别是在优化工程钻石制造工艺方面。

炒作与现实

虽然创建室温台式量子计算机在理论上是可能的，但大多数量子计算硬件开发商目前专注于为工业应用提供系统，包括航空航天、金融和化学部门。这项活动涉及光子和钻石缺陷量子计算领域的许多领导者。人们一致认为，量子计算机要解决的第一个高价值问题将通过云访问模型来解决。

然而，不应排除未来为大众市场提供室温解决方案的可能性；事实上，光子技术甚至在今年的 CES 上得到了展示。除了制药和航空航天业之外，还有更多潜在用户可以从经济实惠的移动解决方案中受益——主要用于边缘 AI、图像处理和实时物流优化。

自动驾驶汽车制造商和连锁超市已经在探索这个量子应用领域。在恶劣的太空环境中甚至需要更高性能的计算，例如，处理来自卫星安装的天文仪器的图像。

展望

尽管量子计算可能会进入大众市场，但经典硬件解决方案很可能至少在未来 20 年内仍将占据主导地位。与此同时，室温下的量子计算机有望在对社会进行量子计算教育方面发挥作用。最终，该基金会将促进研究并支持采用云端最强大的超冷设备。

量子计算行业包括八种关键的硬件方法，根据IDTechEx的研究，长期的商业成功最有可能是更具内在可扩展性的解决方案。随着技术的进步，预计量子计算机的潜在市场将迅速增长，到 2043 年可能会安装 3,000 多个系统。

参考链接：https://www.eetimes.eu/the-status-of-room-temperature-quantum-computers/