在過去的二十年裡，科學家們一直在嘗試利用微觀量子世界的特性，以實現資訊處理和通訊能力的飛躍。透過利用宇宙最小尺度物理學的幾個特徵——電子既是粒子又是波，一個物體可以同時存在於多個位置，即使兩個粒子被廣闊的距離隔開，它們也可以保持一種怪異的瞬時連線——量子機器可以使以前難以想象的計算、通訊和測量任務變得微不足道。僅舉一個例子，量子計算機應該能夠破解“牢不可破”的密碼。
與此同時，量子機器可以用於儲存和通訊資訊，從而使隱私受到物理定律的保障。它們還可以用於模擬複雜化學和材料系統中的過程，而這些過程在其他情況下是難以處理的。量子系統還可以提高世界上最精確的計時器——原子鐘的精度，並作為微型精密感測器，測量原子或分子尺度上化學和生物系統的特性，其應用範圍從生物學和材料科學到醫學。
這種潛力正是谷歌和英特爾等技術巨頭、幾家初創公司以及國防和其他政府機構在該領域投入巨資的原因。學術界也深受鼓舞：僅在2015年，三家主要期刊就發表了3000多篇提到“量子計算”或“量子資訊”的科學論文。
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問題是，科學家們尚未能構建出實現這一承諾的大型量子機器。挑戰在於，顧名思義，這種計算機必須在量子領域執行，然而，當我們試圖構建足夠大以至有用的計算機時，它的自然趨勢是開始遵守宏觀領域的經典規則。
構建一個在大型尺度上保持量子規則併發揮量子資訊處理全部能力的系統，可能需要一種模組化方法，即將較小的、可證明的量子單元以一種不會扼殺其量子特性的方式連線起來。最近的工作已將這種所謂的模組化方法從理論領域擴充套件到小規模的成功測試，併為實現量子機器的獨特潛力鋪平了道路。
可能是零，也可能是一
早在20世紀80年代初，加州理工學院的理查德·費曼和牛津大學的大衛·多伊奇等物理學家和數學家就首次提出了可以利用量子世界來構建先進計算機的建議。這個想法在多年來一直停留在推測階段，直到1994年，當時在AT&T貝爾實驗室的彼得·肖爾展示瞭如何使用量子計算機快速分解大數，這激起了人們對該領域的興趣。第一批基本的量子計算機出現在20世紀90年代末和21世紀初，當時研究人員構建了由原子、分子或光子組成的幾個“位元”的簡單系統。
正是量子粒子的特殊性質使量子計算能夠優於其經典對應物。與經典計算中資訊的基本單位（位元）取值為1或0不同，量子資訊單位——量子位元可以同時存在於兩種狀態，這意味著它可以同時表示0和1。或者它可能是0，但也可能是一。或者同樣可能為0或1。或者兩種二進位制狀態的任何其他加權組合。量子位元之所以具有這種能力，是因為量子粒子可以同時存在於兩個位置或物理狀態——這種現象被稱為疊加。
除了同時存在於兩種狀態之外，量子位元還可以透過一種稱為量子糾纏的量子特性連線起來：空間上分離的粒子保持連線的能力，使得對一個粒子執行的動作會影響另一個粒子。這種特性賦予了量子計算機巨大的並行處理能力。當一組量子位元糾纏在一起時，對其中一個量子位元的簡單操作可能會影響所有其他量子位元的狀態。即使只有幾個量子位元，所有這些相互依賴的0、1和其他疊加狀態也會產生極其複雜的一系列可能結果。經典計算機一次只能處理一種可能性，而量子計算機可以有效地同時測試問題的所有可能解決方案。僅僅幾百個量子位元就可以計算出一個結果表，其數量超過了宇宙中粒子的數量。
到目前為止，科學家們已經在許多實驗室中建立了小型量子計算系統，這些系統最多使用10個量子位元。但是，隨著我們增加量子位元，將系統與外部世界隔離變得越來越困難——任何這種干擾都會破壞使量子計算機變得特殊的特性。多個狀態的量子疊加只能在隔離狀態下存在。任何過早觀察或測量的嘗試都會迫使粒子崩潰成單一狀態——選擇一種可能性。此時，量子力學失效，量子位元恢復為經典計算機的傳統位元。換句話說，量子物體的特殊能力通常只在非常小的系統中看到，並且當這些物體完全連線到一個更大的整體時就會崩潰——類似於一個獨立音樂團體在很少有人知道它時可能最能吸引其粉絲的方式。大型系統通常過於複雜且隔離不足，無法進行量子力學行為——畢竟，我們不期望在同一時間在兩個地方找到棒球，甚至生物細胞。
模組化量子系統
挑戰變成了在不失去必要量子性的情況下進行擴充套件。透過簡單地在一個網路中新增量子位元並將它們連線在一起，來蠻力建立大型量子系統很可能會失敗。加拿大公司D-Wave Systems開發的機器的命運證實了這一預測，這些機器將數百或數千個單獨的量子位元連線在一起。儘管公司官員堅稱這些裝置的速度超過了經典演算法的計算速度，但我們尚未發現已發表的資料顯示這些系統存在大規模糾纏或任何速度優勢的證據。
然而，模組化技術提供了另一條前進的道路。這種解決方案類似於商業航空公司為管理複雜性而採用的策略。下次您飛行時，請檢視您的機上雜誌背面。航空公司的航線圖大致說明了全尺寸量子計算機可能的樣子。航空公司不會將每個城市與每個其他城市直接連線，因為物流和管理費用將是過高的。相反，他們使用中央樞紐來建立間接連線網路。犧牲直接連線性使他們能夠擴充套件和管理更大的目的地網路。
同樣，模組化量子計算機不會將每個量子位元連線到每個其他量子位元。相反，它將使用一些量子位元作為樞紐，這些樞紐將連線單獨的模組，類似於亞特蘭大作為連線美國東南部與其他地區的樞紐的方式。
模組化網路有助於控制量子位元之間相互作用的數量，同時允許每個模組保持與外部干擾隔離。它們透過允許數千甚至數百萬個量子位元間接協作來彌補直接連線性的犧牲。但與傳統模組化系統（如多核計算機處理器）不同，多核計算機處理器在核心之間以及核心內部使用相同型別的線路，模組化量子系統可能需要兩種或多種不同型別的鏈路，以實現必要的糾纏，同時保持模組之間的隔離。在過去的十年中，已經出現了三種主要的模組化量子策略，它們使用不同型別的量子位元。我們三個人正在獨立開發這些平臺，我們相信它們將迎來更大的量子計算機，從而實現新型資訊處理。
原子量子位元
最自然的量子位元型別是單個原子，其電子或核能級（有時稱為自旋態）儲存量子資訊。原子量子位元從根本上是可擴充套件的，因為同一物種的多個原子幾乎相同，不需要進行工程設計來匹配。雷射束可以冷卻原子，直到它們幾乎處於靜止狀態，透過將動量從原子轉移到散射的雷射來冷卻它們。我們在真空室中將原子懸浮在自由空間中進行所有這些操作，以防止它們與任何其他物質相互作用。
中性原子或帶電原子（離子）都可以用作量子位元。為了限制中性原子量子位元，我們使用聚焦雷射束或稱為光學晶格的交叉雷射束圖案；世界各地數十個研究小組正在研究這些方法。儘管在單量子位元水平上控制和耦合中性原子很困難，但仍有許多有希望的前進道路。
作為替代方案，許多研究小組使用帶正電荷的離子——去除電子的原子。離子透過其電斥力相互強烈作用，並且可以透過附近電極產生的電磁場來限制。我們可以雷射冷卻數百個捕獲的離子，形成由各個原子組成的靜止晶體，這些原子就像彈簧連線的相同擺錘一樣。額外的控制雷射器可以以某種方式推動離子，從而透過離子的振動來糾纏它們的自旋態，這是Ignacio Cirac和Peter Zoller（當時都在奧地利因斯布魯克大學）於1995年首次提出的方案。在過去的幾十年中，研究人員在這種方式下對單個捕獲離子量子位元的控制和糾纏取得了驚人的進展。最近，由我們中的一位（Monroe）、美國國家標準與技術研究院的David J. Wineland和因斯布魯克大學的Rainer Blatt領導的研究小組已經證明了多達20個捕獲離子量子位元之間的高質量糾纏操作。
研究人員已經探索了兩種方法來連線由這種糾纏離子晶體組成的模組。一種方法是透過空間物理移動一些離子量子位元，從一個模組移動到另一個模組，方法是將它們透過複雜的電極迷宮（Monroe，以及Wineland和當時在nist的David Kielpinski於2000年提出的一種方法）。可以使離子在電場波上在空間中衝浪，而不會干擾它們的量子位元狀態。當離子在第二個模組著陸時，雷射脈衝可以誘導它們形成新的糾纏。這兩個模組，每個模組包含例如50個量子位元，成為計算的單個集合的一部分，這意味著現在100個量子位元協同工作，儘管連線薄弱。透過這種稱為離子穿梭的技術，我們可以連線的模組數量在理論上沒有限制。
這種方法的一個困難是控制複雜的離子阱，離子阱由數百或數千個精確定位的電極組成，這些電極完成穿梭。我們必須能夠操縱所有必需的電極電壓，以誘導離子在電極迷宮中衝浪。Sandia國家實驗室和霍尼韋爾國際公司現在正在努力以可擴充套件的方式用矽或其他半導體材料製造離子阱電極。
連線離子量子位元模組的第二種方法是將原子留在原位。它依靠雷射來促使離子發射與離子糾纏的光子（光粒子）。然後，這些光子可以在模組之間轉移糾纏。這種型別的光子量子介面源於大約20年前由因斯布魯克大學、加州理工學院和哈佛大學的研究人員開創的想法，並由Monroe在10年前證明。
光子連線技術的巨大優勢在於，它允許我們連線可能相距很遠的量子位元儲存器，並且它也可以應用於其他型別的量子位元，例如中性原子以及超導和半導體量子位元，正如我們將討論的那樣。此外，我們可以透過光纖網路和交換機來擴充套件模組之間的光子連線，這些光纖網路和交換機可以讓我們重新配置哪些量子位元被糾纏。這種策略的中心障礙是量子位元-光子鏈路通常效率低下，因為它需要捕獲和引導這些光子。可能需要進行多次試驗才能建立成功的連線。到目前為止，最好的嘗試僅以每秒最多約10個糾纏鏈路的速率執行。然而，當前技術的擴充套件應該能夠將此速率提高几個數量級。
超導量子位元
儘管原子可能是自然界的量子位元，但控制和擴充套件它們以形成更復雜的系統會帶來一些工程問題。另一種策略是使用由超導材料製成的電路來設計“人造原子”。這些器件包含許多原子，但可以像簡單、可控的量子位元一樣工作，其中單個微波光子的存在或不存在，或者電路內部迴圈電流的順時針/逆時針方向對應於“0”或“1”狀態。這種量子電路具有明顯的優勢。我們可以透過設計來定製它們的特性，並使用傳統積體電路的製造技術進行批次生產。值得注意的是，當它們在接近絕對零度的溫度下執行時，它們可以在疊加態中持續足夠長的時間，以充當強大的量子位元。在過去的15年中，這些系統的壽命提高了超過一百萬倍。
在過去的十年中，對這些超導量子電路的研究取得了快速進展，證明了量子計算機的各種必要特徵。許多學術實驗室以及谷歌和IBM等工業參與者的研究人員現在可以操縱和糾纏多個超導量子位元。藉助稱為電路量子電動力學的技術，由我們中的一位（Schoelkopf）以及他的同事Michel H. Devoret和Steve Girvin（均在耶魯大學）開創，我們還可以透過使用超導傳輸線在長距離上糾纏多個量子位元。
超導器件自然適用於模組化架構。我們可以在大型低溫裝置中透過超導線和測量裝置在模組之間建立連線，同時透過相互遮蔽模組來減少模組之間的串擾和干擾。為了在模組之間產生糾纏，耶魯大學、科羅拉多大學博爾德分校的JILA、加州大學伯克利分校和其他地方的研究人員開發了用於量子測量的特殊超導器件。
使用超導量子位元的模組化方法具有許多吸引人的特性。我們只需要批次生產和校準更適度的模組，然後逐個模組地構建複雜性，而無需構建和測試一個巨大的電路。我們可以消除或跳過有缺陷的模組，並重新連線模組之間的連線以建立不同的架構。開發微波到光量子換能器，然後透過光纖連線遠端模組以建立遠端量子網路或分散式量子計算機的工作也在進行中。
固態自旋量子位元
最後，第三種量子位元型別將資訊編碼在固態材料中的自旋態中。這種型別的量子位元有不同的模型，但我們中的一位（盧金）以及許多其他研究小組正在研究的一種有前景的方法是使用晶體中的缺陷來生成量子位元。一種這樣的系統是碳原子的金剛石晶格，其中單個原子被氮原子取代，並且相鄰位置是空的——一種稱為氮-空位（NV）中心的雜質。電磁脈衝可以控制這種原子狀雜質的電子自旋。在盧金及其同事開創的方法中，NV中心對其最接近的碳鄰居的核自旋做出反應，從而形成由粒子之間的磁相互作用形成的相鄰量子位元簇。然而，氮-空位雜質只有這麼多近距離碳鄰居，這限制了每個模組的量子位元總數少於十幾個。
擴充套件需要連線多個NV模組。如果量子位元位於單獨的晶格中，我們可以透過迫使每個量子位元發射光子然後測量光子來連線它們。但是，如果多個NV雜質存在於單個金剛石晶格中，我們也可以嘗試使用稱為聲子的量子振動來連線它們，聲子可以在雜質之間傳輸量子資訊。
值得注意的是，儘管操縱編碼在這些NV中心量子位元中的資訊具有挑戰性，但我們通常可以在室溫下的環境條件下進行。在過去的十年中，德國斯圖加特大學的Jörg Wrachtrup和現在的德國烏爾姆大學的Fedor Jelezko開創的觀察單個NV中心的技術，使科學家能夠使用單個電子自旋量子位元。由芝加哥大學的David Awschalom領導的一個團隊已經能夠在納秒時間尺度上操縱這些量子位元，這與現代經典處理器的速度相當。
最近，荷蘭代爾夫特理工大學的Ronald Hanson和他的同事使用糾纏光子糾纏了間隔超過一公里的單NV雜質量子位元，類似於先前討論的連線離子的光子方法。目前，這個過程效率不高（在代爾夫特實驗中，糾纏鏈路的建立速率僅為每小時幾次），但最近在哈佛大學和麻省理工學院出現了一些新技術，可以使用奈米級光學器件大大提高效率。而且，由於我們已經有方法在單個金剛石晶格缺陷周圍建立多個量子位元，並在超純晶體（例如Element Six的科學家生長的晶體）中將它們儲存超過一秒，因此NV中心顯示出可擴充套件模組化量子計算架構的巨大潛力。
量子未來
由於該領域超過20年的研發，科學家們已經在小規模上實驗測試了所有這些模組化量子計算方法。等待我們的任務是將這些技術擴充套件到更大的量子位元和模組集合，並開始將它們用於有趣的應用。我們相信這個目標現在指日可待。
量子未來既充滿挑戰又令人興奮。隨著量子機器變得越來越大，控制和驗證整個系統是否確實在進行量子力學行為將變得越來越困難。幸運的是，模組化架構允許我們獨立測試和驗證各個模組以及它們之間的各種連線，而不會干擾整個系統。科學家們最近朝著這個目標邁出了重要的步伐。
即使是規模相對適中的模組化量子計算機也可能實現獨特的應用。它們自然而然地為由透過糾纏光子連線的小型量子處理器組成的“量子網際網路”提供了骨幹。這些量子處理器可以充當轉發器站，將安全量子通訊的範圍擴充套件到大陸距離——目前由於傳統電信光纖中的光子損耗，安全量子通訊的範圍限制在約100公里。
模組化量子機器的元素已經融入到世界上一些最精確的計時器中，並且預計它們在中性原子和原子離子光學原子鐘的新一代產品中的作用將會增長。科學家們已經提出建立一個由這種時鐘組成的全球量子網路，以建立一個即時、單一的國際時間尺度或“世界時鐘”，該時鐘將以空前的穩定性和精度執行。
微型量子網路還可以充當複雜化學和生物系統中奈米尺度上電磁場和溫度的精密感測器。例如，研究人員已經利用與固態雜質相關的電子和核自旋來實現具有單原子解析度的磁共振成像。這項技術可用於直接成像單個分子，這將為基礎生物學和材料科學提供資訊，併為醫療診斷和藥物發現提供新工具。
現在是停止詢問量子計算是否可能的時候了，開始關注其大規模架構以及它將能夠做什麼。事實是我們不知道量子計算機將如何改變世界。但是隨著模組化量子計算網路的出現，我們應該很快就會開始發現。
商業關係披露：克里斯托弗·R·門羅是一家初創公司ionQ的聯合創始人兼智慧財產權共同發明人，該公司專注於使用本文中描述的方法開發原子量子計算機。羅伯特·J·斯科爾科普夫是一家初創公司Quantum Circuits的聯合創始人、股權持有人和智慧財產權發明人，該公司正在開發用於量子計算的超導電路，其基礎是本文討論的技術。米哈伊爾·D·盧金是一家初創公司Quantum Diamond Technologies的聯合創始人、顧問委員會成員和智慧財產權共同發明人，該公司專注於使用本文中描述的研究將量子感測器應用於醫療診斷。