什么是量子比特？科学家构建量子计算机的三种方式

如果你相信炒作，量子计算机有望彻底改变世界。科学家希望，这种新兴技术的未来版本可以让制药公司用几周时间而非几年发现新药物，也可以帮助政府计算如何养活不断增长的世界人口。科技巨头、初创公司和大学实验室都在力争打造更大、更强大的量子计算机。但迄今为止，没有任何量子计算机能明确地实现“量子优势”——即量子计算机能解决经典计算机无法解决的问题。量子计算机的核心元素是量子比特（qubit），不同的研究团队正在赌注于不同的量子比特，希望它们能引领量子计算机的发展。一个完整的量子计算机系统在考虑到所有支持设备后，可能有双车位车库大小。但整个由量子比特构成的处理单元，却小得几乎只能覆盖你指尖的面积。如今的智能手机、笔记本电脑和超级计算机都包含数十亿个微小的电子处理元件，称为晶体管。这些晶体管要么处于打开状态，要么处于关闭状态，代表1或0，这是计算机用以表达和计算所有信息的二进制语言。量子比特本质上是“量子晶体管”。它们可以处于两种明确状态之一，比如“上”和“下”，代表1和0。但它们还可以同时处于这两种状态，这增强了它们的计算能力。而且，两个甚至更多量子比特可以处于“纠缠”状态——这是一种奇特的量子现象，即使粒子相隔遥远，它们的状态也会相互关联。这种能力彻底改变了计算的进行方式，普林斯顿大学的量子物理学家娜塔莉·德·莱昂（Nathalie de Leon）表示，这也正是量子计算机如此强大的部分原因。此外，仅仅观察一个量子比特就可能改变其行为，德·莱昂说，这或许会带来更多量子优势。“量子比特挺奇怪的。但我们可以利用这种奇怪性，开发出经典计算机无法实现的新算法。”她说。科学家正在尝试用各种材料制造量子比特，从纳米级晶体到钻石中的缺陷，再到既是粒子又是其反粒子的特殊粒子，每种都有其优缺点。加州戴维斯大学的玛琳娜·拉杜拉斯基（Marina Radulaski）表示：“现在下结论说哪种最好还为时尚早。”德·莱昂也表示同意。我们来看看一些主要的量子比特类型。**超导量子比特**最常登上头条的量子比特是“超导”量子比特，谷歌和IBM两家开发量子计算机的大型公司都首选这种类型。谷歌目前最大的运行计算机有53个超导量子比特，IBM则有433个，尽管目前数量多并不一定意味着性能更好。谷歌的量子比特由铝制成，IBM则使用铝和铌的混合物，这是目前最常用于此类量子比特的两种材料。超导量子比特通常是一个微小的金属环或导线，其行为像一个原子——一个本质上属于量子范畴的对象。量子比特的两种状态对应于这个“人工原子”的两个能量状态：最低能量状态（称为基态）和紧接其上的下一个状态。这些状态通过微波脉冲来激发和控制。超导量子比特之所以成为早期量子计算的领先者之一，部分原因在于其可以使用制造和运行电子晶体管的现有技术制造和操作。量子比特处理器大约有指甲厚度。小型化是关键，因为普林斯顿大学的量子计算工程师杰夫·汤普森（Jeff Thompson）指出，据估计，一台能改变世界的量子计算机将需要100万到1000万个量子比特。虽然超导量子比特体积小、成本低，但运行它们所需的硬件却恰恰相反。为了让超导量子比特像原子一样运作，必须将其冷却到绝对零度的几百分之一，大约是零下273摄氏度。这需要一台稀释冷却器（dilution refrigerator），这台机器比家用冰箱还要大，购买和运行成本也高得多。此外，每个量子比特至少需要两根电线和其他硬件。汤普森说：“每个量子比特的成本最终都非常高。”目前科学家只能在稀释冷却器中支持几十到几百个超导量子比特，但他们已经计划实现数千个。要达到数百万个连接的量子比特，工程师们将需要做许多事情，比如建造更大的冷却器——这是一个正在努力解决的问题，或是在不同冷却器中的超导量子比特阵列之间进行量子连接（即纠缠）——目前这是尚未实现的难题。苏黎世大学的超导量子比特专家布里顿·普卢德（Britton Plourde）表示，找到一种方法，将一个低温量子比特中的量子信息转移到另一个中，这是“这项技术的圣杯”。他说：“这是个非常困难的问题。”**囚禁离子量子比特**超导量子比特的一个热门替代方案是“囚禁离子”量子比特：一个带电的原子或分子，其行为就像一个小磁铁。离子的两个状态对应于这个磁铁的两个方向，比如“上”和“下”，并通过一束比人类头发还细的激光来设定。过去几年里，探索这项技术的公司逐渐涌现，包括拥有24个量子比特的阿尔卑斯量子技术公司（AQT）、拥有29个量子比特的IonQ公司以及拥有32个量子比特的Quantinuum公司。AQT使用钙离子，另外两家则使用镱离子。每家公司的囚禁离子量子计算机看起来略有不同，但它们都包含了相同的元素：一块大小类似一角硬币或更大的计算芯片，围绕该芯片的一个大啤酒罐大小的圆柱形真空室，几束激光和一个光探测器。芯片将离子固定在其微小印刷电路之间的空隙中，使用电场来囚禁它们。激光通过真空室的窗户发射，冷却离子并操作量子比特。离子量子比特周围的空间是真空的，这意味着它的状态（0、1或两者同时）不太容易受破坏状态的空气粒子影响。因此，它可以保留其量子信息数十分钟到数小时——相比之下，超导量子比特只能保持几十微秒。这种长寿命对量子信息存储非常有利，但执行复杂计算时会带来问题，因为正是这个赋予其良好存储能力的特性——与环境的低相互作用——使得量子比特之间的相互操作变得困难。因此，在这种系统上执行计算需要更长时间。囚禁离子量子计算机还面临可扩展性的问题。每个芯片最多只能容纳几十个离子，否则它们之间的相互作用将变得过于复杂以至无法控制。要达到数百万个量子比特，科学家需要在模块之间转移离子，而这一点尚未可靠实现。此外，要达到百万量子比特，还需要连接多个真空室中的芯片。**中性原子量子比特**所谓“中性原子”量子比特的可扩展性问题则小得多。中性原子量子计算机与带电原子的类似，但使用的是光而非电来固定原子。科学家通过一个镜头向含有中性原子的腔室上方照射激光，来制造光陷阱。镜头将入射的光束分成多个光点，每个光点可以固定一个原子。其他激光束也会以类似方式分裂，用以操作量子比特。科学家已经制造出包含2到1000个中性原子量子比特的阵列，QuEra公司拥有256个中性铷原子的量子计算机，而铷是常见的原子选择之一。汤普森认为，下一代镜头和激光器将使这一数字达到10000甚至更多。“增加量子比特只需要将激光分成更多束，这大大简化了扩展问题。”他说。中性原子量子比特的寿命也相对较长，可以保留信息数十秒。然而，中性原子量子比特在量子计算机竞赛中还不是领先者，一个原因是其速度。截至目前，它们每秒只能执行几次计算——与囚禁离子量子计算机相当，但比超导量子比特系统要慢1000多倍。尽管中性原子量子比特易于制造，但操作起来却很挑剔。进行复杂计算需要对原子施加精确时序的激光脉冲序列，研究人员尚未有效快速地操作超过少数几个中性原子量子比特的方法。一旦他们做到这一点——而汤普森对此充满信心——中性原子量子比特可能在计算能力上超越超导量子比特，登上头条新闻。“我认为，这一转变点将在不久的将来到来。”他说。**构建量子计算机的挑战**然而，英国埃克塞特大学的量子物理学家卢卡·德尔兰托尼奥（Luca Dellantonio）指出，即使量子比特的“操作”部分是相对简单的挑战，但真正困难的部分是在量子计算进行过程中纠正错误。错误发生的频率比经典系统中要高得多。当量子比特的状态因计算机运行中未使用的外部因素而改变时，就会发生错误。“可能真的就是任何东西。”德尔兰托尼奥说。这些因素可能是热量、来自太空的辐射，甚至可能是世界上某个地方某人打的喷嚏。“构建量子计算机的难度远比科学家通常承认的要大。”他补充道。“它终究会实现，只是不会像人们想象的那么快。”