構建世界上首臺有意義的量子計算機的競賽正在進行中——這臺計算機能夠實現該技術長期以來承諾的能力，幫助科學家們完成諸如開發神奇的新材料、以近乎完美的安全性加密資料以及準確預測地球氣候將如何變化等任務。 這樣的機器可能還需要十年以上的時間才能問世，但 IBM、微軟、谷歌、英特爾和其他科技巨頭都在不遺餘力地宣傳沿途的每一個微小的、漸進的步驟。 這些里程碑中的大多數都涉及在處理器晶片上封裝越來越多的量子位元，或量子位——量子計算機中的基本資訊單位。 但通往量子計算的道路遠不止是駕馭亞原子粒子。
量子位可以同時表示 0 和 1，這是一種獨特的量子現象，在物理學中被稱為疊加。 這使得量子位能夠同時進行大量計算，從而大規模提高計算速度和容量。 但量子位有不同的型別，並非所有量子位都是相同的。 例如，在可程式設計矽量子晶片中，一個位元是 1 還是 0 取決於其電子的自旋方向。 然而，所有量子位都非常脆弱，有些量子位需要約 20 毫開爾文的溫度——比深空冷 250 倍——才能保持穩定。
當然，量子計算機不僅僅是其處理器。 這些下一代系統還需要新的演算法、軟體、互連以及許多其他尚未發明的技術，這些技術專門用於利用系統強大的處理能力——並允許共享或儲存計算機的結果。 英特爾實驗室量子硬體主管 Jim Clarke (pdf) 說：“如果這不復雜，我們早就擁有其中一臺了。” 在今年早些時候的美國消費電子展上，英特爾推出了一款代號為“Tangle Lake”的 49 量子位處理器。 幾年前，該公司為量子計算軟體建立了一個虛擬測試環境； 它利用強大的“Stampede”超級計算機（位於得克薩斯大學奧斯汀分校）來模擬多達 42 量子位的處理器。 然而，Clarke 補充說，為了真正瞭解如何為量子計算機編寫軟體，他們將需要能夠模擬數百甚至數千個量子位。
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《大眾科學》與 Clarke 討論了構建量子計算機的不同方法、它們為何如此脆弱以及為何這一切都需要這麼長時間。
[以下是經過編輯的採訪文字稿。]
量子計算與傳統計算相比如何？
常用來比較兩者的一個常見比喻是硬幣。 在傳統的計算機處理器中，電晶體要麼向上要麼向下，要麼正面要麼反面。 但如果我問你一枚硬幣在旋轉時是正面還是反面，你可能會說答案兩者都是。 這就是量子計算機的基礎。 與傳統的位要麼是 0 要麼是 1 不同，你有一個量子位，它同時表示 0和 1，直到量子位停止旋轉並進入靜止狀態。
使用量子計算機，狀態空間——或採樣大量可能組合的能力——呈指數級增長。 進一步採用硬幣的比喻，想象一下我手中有兩枚硬幣，我同時將它們拋向空中。 當它們都在旋轉時，它們將代表四種可能的狀態。 如果我將三枚硬幣拋向空中，它們將代表八種可能的狀態。 如果我有 50 枚硬幣並將它們全部拋向空中，並問你這代表多少種狀態，答案將是比當今世界上最大的超級計算機可能實現的狀態還要多的狀態。 三百枚硬幣——仍然是一個相對較小的數字——將代表比宇宙中原子數量還要多的狀態。
為什麼量子位如此脆弱？
現實情況是，硬幣或量子位最終會停止旋轉並坍縮為特定狀態，無論是正面還是反面。 量子計算的目標是讓它們在多種狀態的疊加中長時間旋轉。 想象一下，我有一枚硬幣在桌子上旋轉，有人在搖晃那張桌子。 這可能會導致硬幣更快地掉下來。 噪聲、溫度變化、電氣波動或振動——所有這些都可能干擾量子位的執行並導致其丟失資料。 穩定某些型別量子位的一種方法是使其保持非常寒冷。 我們的量子位在一個稀釋製冷機中執行，該製冷機大約有一個 55 加侖桶那麼大，並使用氦的特殊同位素將其冷卻到略高於絕對零度（大約 -273 攝氏度）的溫度。
不同型別的量子位彼此之間有何不同？
量子位可能至少有六七種不同的型別，其中可能三四種正在被積極考慮用於量子計算。 不同之處在於你如何操縱量子位，以及如何讓它們相互通訊。 你需要兩個量子位相互通訊才能進行大型“糾纏”計算，並且不同型別的量子位具有不同的糾纏方式。 我描述為需要極端冷卻的型別稱為超導系統，其中包括我們的 Tangle Lake 處理器以及谷歌、IBM 和其他公司正在構建的量子計算機。 另一種方法是使用捕獲離子的振盪電荷（透過雷射束固定在真空室中）來充當量子位。 英特爾沒有開發捕獲離子系統，因為它們需要深入瞭解雷射和光學，這不一定適合我們的優勢。
話雖如此，我們正在研究第三種類型，我們稱之為矽自旋量子位，它看起來與傳統的矽電晶體完全相同，但使用單個電子執行。 自旋量子位使用微波脈衝來控制該電子的自旋，以傳遞其量子功率。 這項技術目前比超導量子位技術成熟度低幾年，但可能在擴充套件和商業化方面有更大的前景。
如何從這裡走到那一步？
第一步是製造這些量子晶片。 與此同時，我們實際上在超級計算機上製作了一個模擬器。 當我們執行 英特爾量子模擬器時，模擬 42 個量子位需要大約 5 萬億個電晶體。 要實現商業相關性，可能需要一百萬個或更多量子位，但從這樣的模擬器開始，你可以構建你的基本架構、編譯器和演算法。 然而，在我們擁有數百到數千個量子位的物理系統之前，尚不清楚我們將能夠執行哪些型別的軟體或應用程式。 擴大系統規模有兩條途徑： 一種是新增更多量子位，這將佔用更多物理空間。 問題是，如果我們的目標是擁有一百萬量子位的計算機，那麼在擴充套件方面，數學運算效果不佳。 另一種途徑是縮小積體電路的內部尺寸，但這對於往往很大的超導系統來說不太可能。 自旋量子位小一百萬倍，這也是我們研究它們作為另一種選擇的原因之一。
除此之外，我們還希望提高量子位的質量，這將有助於我們測試演算法並構建我們的系統。 質量是指資訊隨時間推移傳遞的保真度。 雖然系統的許多部分都會提高質量，但最大的進步將來自材料工程以及微波脈衝和其他控制電子裝置精度的提高。
美國眾議院數字商務和消費者保護小組委員會最近就量子計算舉行了聽證會。 立法者想了解有關該技術的哪些資訊？
多個不同的委員會即將舉行多次聽證會。 如果我們審視量子計算，有些人會說這是未來 100 年的計算技術。 美國和其他政府想要擁有它，這是很自然的。 歐盟有一個價值 10 億美元的旗艦專案，將資助整個歐盟的量子研究。 中國去年秋天宣佈建立一個價值 100 億美元的研究機構，專注於量子資訊科學。 問題是：作為一個國家，我們可以在國家層面做些什麼？ 量子計算的國家戰略可能會促使大學、政府和行業共同努力開發該技術的不同方面。 從通訊或軟體架構的角度來看，標準當然是有意義的。 勞動力也是一個問題； 目前，當我為量子計算專家開設職位時，大約三分之二的申請者來自美國境外。
如果有的話，量子計算可能對人工智慧的發展產生什麼影響？
通常，最初提出的量子演算法是用於安全（例如密碼學）或化學和材料建模。 這些問題對於傳統計算機來說基本上是棘手的。 話雖如此，也有大量論文以及初創公司和大學研究小組致力於使用量子計算機進行機器學習和人工智慧等工作。 考慮到人工智慧開發的時間框架，我預計專門為人工智慧演算法最佳化的傳統晶片對該技術的影響將大於量子晶片。 儘管如此，人工智慧當然是量子計算的公平競爭領域。
我們何時才能看到量子計算機解決實際問題？
第一個電晶體於 1947 年問世。 第一個積體電路隨後於 1958 年問世。 英特爾的第一款微處理器——只有大約 2,500 個電晶體——直到 1971 年才問世。 這些里程碑中的每一個都相隔十年以上。 人們認為量子計算機指日可待，但歷史表明這些進步需要時間。 如果 10 年後我們擁有一臺擁有數千個量子位的量子計算機，那肯定會像第一款微處理器那樣改變世界。 我們和其他人一直在說它還需要 10 年。 有些人說它只需要三年，我認為他們不瞭解這項技術的複雜性。