不被看好的技术在量子计算竞赛中取得了进展

围绕构建实用量子计算机的竞赛可能正在进入一个新阶段。一些领先的前沿技术如今面临着尺寸限制，而其他方法则迅速迎头赶上。多年来，两种主要方法使物理学家在研究中取得进展，部分是通过不断增加设备中的量子比特数量——量子比特相当于计算机的内存比特。其中一种方法将量子比特编码为在超导环中流动的电流，另一种方法则使用电磁场在真空中捕获单个离子的激发态。但在过去两年里，由单个中性原子（而非离子）组成并通过激光光束制造的“镊子”固定住的量子比特突然变得具有竞争力。此外，其他仍处于更早期阶段的技术也可能迎头赶上。“超导量子比特和离子阱量子比特已经实现了最先进、操控最精密的实验，”位于荷兰代尔夫特理工大学的量子研究机构QuTech的理论物理学家Barbara Terhal表示，“然而，这并不能保证这些平台能一直保持领先。” 追寻量子比特的旅程 量子计算机承诺利用诸如量子叠加这样的现象，解决传统计算机无法触及的问题。在量子叠加中，一个物体可以同时处于两种状态——例如，可以同时顺时针和逆时针旋转。物理学家将这些状态称为“量子比特”，以区别于只能是“0”或“1”的普通比特。量子态极为脆弱，在量子计算机中，这些信息往往跨越多个量子比特形成“纠缠”状态，随着计算进行，这些状态容易退化或丢失。为了尽可能长时间地维持这些状态，量子比特必须与环境隔离。但它们又不能太过隔离，因为它们必须相互作用才能执行计算。这使得构建实用的量子计算机非常具有挑战性。但QuTech的科研主任Lieven Vandersypen表示，这个领域比他十年前预期的要走得更远。“进步其实令人印象深刻。” 2019年，Google宣称制造出了一台包含54个超导量子比特的机器，实现了首次量子计算，其复杂程度使得传统计算机几乎无法完成，这一成就被称为“量子优势”。另一家科技巨头IBM，对超导量子比特投入巨大，预计在接下来的几个月内将取得一个重要突破，推出名为Condor的量子芯片，这是第一个突破1000量子比特门槛的芯片。2021年，IBM曾推出127量子比特的Eagle芯片，随后在2022年11月推出了433量子比特的Osprey芯片。“我们确实希望像半导体行业一样制定一个路线图，”Jerry Chow表示，他是位于纽约Yorktown Heights的IBM托马斯·沃森研究中心的量子计算机项目负责人。数量与质量 Chow表示，IBM的目标不仅是扩展量子比特数量，还要提升其质量。该公司的一些超导元件能够将量子态保持超过300微秒，他称这是该技术的一项纪录。在另一项关键指标上，涉及两个量子比特的99.9%的操作现在是无错误的。一旦芯片上的超导量子比特数量大大超过1000个，扩展将变得不切实际，因为每个量子比特都需要单独连接到外部电路，以便控制和读取。因此，IBM将采用模块化方法。从2024年开始，其路线图的每一步将不再专注于提高单个芯片上的量子比特数量，而是将多个芯片连接成一台机器——这在连接时若要保持量子态不变或帮助不同芯片上的量子比特纠缠在一起，这并不容易。这些芯片通常位于庞大的设备内部，这些设备由低温系统包裹，使芯片温度接近绝对零度。离子阱计算机可能比超导计算机对尺寸的要求更为严格，部分原因在于它们需要为每个离子配备一个单独的激光装置以进行控制。通常，这将限制每个芯片的陷阱仅容纳约32个离子。但IonQ公司，一家成立于马里兰州大学的初创公司，表示其方法能够在一个芯片上容纳多个离子行，可能达到多达1024个量子比特。为了进一步突破这一限制，IonQ还计划转向模块化方法，连接多个芯片。根据公司的一位发言人，实验室中的被困离子在保真度方面已达到高达99.99%的水平。镊子技术 另一种技术——几年前几乎未引起关注——也可能很快突破1000量子比特的门槛。它使用高度聚焦的激光束，称为“光镊”，来捕捉中性原子，并将量子比特编码在原子的电子态或原子核的自旋态中。这种方法在过去十多年里逐步发展，但如今正“蓬勃发展”，哈佛大学的Giulia Semeghini表示。为了组装多个量子比特，物理学家将单束激光分为许多，例如通过液晶屏来实现。这可以创建数百个“镊子”组成的阵列，每个镊子都捕捉自己的原子。这些原子通常与其邻居相距几微米，能够在量子态中持续几秒或更长时间。为了使原子相互作用，物理学家会用另一束激光照射其中一个原子，使其进入一个激发态，在这种状态下，外层电子的轨道比正常情况下远离原子核。这会增强原子与其邻近原子的静电相互作用。利用光镊，研究人员已经构建了超过200个中性原子的阵列，并正在快速结合新旧技术，将它们发展成完全工作的量子计算机。这种方法的一个主要优势是，物理学家可以结合多种类型的镊子，其中一些镊子可以快速移动——并携带着原子。“每当需要两个原子相互作用时，你把它们放在一起，”哈佛大学的物理学家Dolev Bluvstein表示。这使得该技术比其他平台（例如超导，其中每个量子比特只能与芯片上直接相邻的量子比特相互作用）更灵活。Semeghini和Bluvstein所在的团队在2022年4月的一篇论文中展示了这种灵活性。基于镊子的量子比特预计很快能达到99%的无错误率，尽管进一步改进仍需大量工作，Semeghini表示。中性原子技术的快速发展令量子计算社区感到惊讶。“实现数千个原子量子比特的路径已清晰，并且很可能在两年内实现，”中国科学技术大学（USTC）的Chao-Yang Lu教授表示。自旋控制 其他量子比特技术仍处于初期阶段，但正在稳步发展。一种方法将信息编码在被困在常规半导体（如硅）内的单个电子的自旋中。去年，Vandersypen及其合作者展示了一种完全工作的六量子比特设备。与光镊的情况类似，这些电子自旋可以在设备中移动，以便按需靠近其他量子比特。但就像其他类型的量子比特一样，一个主要难点是防止它们在不应该相互影响时造成“串扰”。基于半导体的量子比特的优势在于，它们可以在生产当前计算机芯片的同一类型工厂中制造，尽管由位于澳大利亚悉尼的麦克里·西蒙斯大学物理学家Michelle Simmons领导的团队利用自动扫描隧道显微镜的探针，逐个原子地组装器件。“一切都以亚纳米级的精度制造，”她说。 另一项技术仍处于概念阶段，但也受到大量投资，特别是来自微软。该方法旨在利用“拓扑态”使量子比特对退化具有鲁棒性，就像被扭结的绳子即使被拉扯也不会解结一样。2020年，研究人员观察到了一种拓扑保护的基本物理机制，他们目前正在努力展示首批拓扑量子比特。“今天追求的每一个平台都有潜力，但其发展可能需要真正新颖、不可预见的思路，”Vandersypen表示。在USTC从事多种量子计算方法研究的物理学家潘建伟也表示赞同。当谈到开发量子计算机的竞争时，“目前还太早说哪一个候选者会胜出”。本文经授权转载，首发于2023年2月6日。