科學家們長期以來夢想開發量子計算機，這種機器依靠神秘的物理定律來執行遠超當今最強大的超級計算機能力的任務。理論上，這種機器可以建立標準計算機難以處理的數學模型，從而大大擴充套件天氣預報和金融市場預測等的範圍和準確性。它們可以模擬光合作用等物理過程，為綠色能源開闢新的前沿。量子計算還可以將人工智慧提升到一個更高的高度：如果IBM的沃森已經可以在Jeopardy!節目中獲勝並做出一些醫療診斷，那麼想象一下一個極其智慧的版本能做什麼。
但是，為了實現這些願景，科學家們首先必須弄清楚如何實際構建一臺能夠執行比最簡單操作更多的量子計算機。他們現在比以往任何時候都更接近目標，IBM在2017年11月宣佈了其迄今為止最複雜的量子系統，而谷歌表示，它有望推出一款具有所謂“量子霸權”的處理器——其能力是傳統計算機無法比擬的。
小型系統已經存在，但在使其變得更大的競賽中，下一步將必須確定量子計算機是否能夠兌現其潛力。科學家和行業參與者主要關注兩種方法之一。一種是將金屬線環冷卻到接近-273.15攝氏度，即絕對零度，將其變成超導體，電流在其中幾乎沒有電阻地流動。另一種方法依賴於俘獲離子——稀土元素鐿的帶電原子，這些原子透過雷射束固定在真空室中，並由其他雷射器操縱。振盪電荷（在金屬線和俘獲離子中）充當量子位元，或“qubits”，可以利用它們來執行計算機的操作。
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量子飛躍
這兩種方法的訣竅都在於弄清楚如何從已經演示的系統（僅包含少量量子位元）過渡到能夠處理數百或數千甚至數百萬個量子位元的系統，這對於量子技術似乎承諾的繁重工作是必需的。2016年，IBM透過其雲門戶向開發人員、研究人員和程式設計師提供了一個五量子位元的量子處理器用於實驗。自那時以來，該公司取得了重大進展，透露已將其基於雲的量子計算機升級到20量子位元處理器，並內部開發了一個50量子位元處理器原型，這可能是商業系統的基礎。這兩者都基於金屬線環超導電路，谷歌的72量子位元處理器也是如此，該公司在2018年3月舉行的美國物理學會年會上宣佈了該處理器。谷歌量子人工智慧實驗室的工程師朱利安·凱利在一篇部落格文章中寫道，該公司“謹慎樂觀”地認為它可以憑藉其處理器實現量子霸權。
這些數字可能看起來並不令人印象深刻。但是，量子位元比傳統計算機中作為最小資料單元的那種位元強大得多。這些位元基於電流的流動，構成了所有計算功能的數字語言：“關”表示0，“開”表示1，這兩個狀態編碼了計算機的所有操作。然而，量子位元不是基於“是/否”的電子開關，而是基於粒子的量子屬性，例如電子自旋的方向。在量子世界中，一個粒子可以同時存在於比簡單的開/關更復雜的多種狀態中——這種現象被稱為疊加。“你可以有正面，你可以有反面，但你也可以有任何加權疊加。你可以有70-30的正反面，”馬里蘭大學帕克分校的物理學家、IonQ初創公司的創始人克里斯托弗·門羅說，該公司致力於使用俘獲離子構建量子計算機。他目前正在研究一個基於該方法的32量子位元原型。
同時佔據多個狀態的非二進位制能力使量子位元能夠同時執行許多計算，從而極大地放大了它們的計算能力。這種能力隨著量子位元數量的增加呈指數增長。因此，在49或50個量子位元左右，量子計算機達到了大約10千萬億位元的等效水平，並且能夠進行經典計算機永遠無法比擬的計算，加州理工學院的理論物理學家約翰·普雷斯基爾說。“它們是否會做有用的事情是另一個問題，”他說。儘管IBM已達到50量子位元的水平，而谷歌已超過它，但兩者都尚未證明它們已經超越了經典計算機的能力。
IBM托馬斯·J·沃森研究中心實驗量子計算經理周杰瑞（Jerry Chow）表示，超導電路和俘獲離子都有很好的機會達到50個量子位元左右的閾值，該中心位於紐約州約克鎮高地。傳統思維會認為更多的量子位元意味著更強大的功能，但周杰瑞指出，“這不僅僅關乎量子位元的數量。” 他更關注機器可以執行的計算的數量和質量，他稱之為“量子體積”的指標。這包括額外的因素，例如量子位元執行計算的速度以及它們如何避免或糾正可能悄然出現的錯誤。其中一些因素可能會相互制約；例如，新增更多的量子位元可能會增加錯誤率，因為資訊會從一個量子位元傳遞到另一個量子位元。量子霸權只是衡量量子計算機能力的一種可能的指標，他說，在社群可以宣告一個系統真正超越了經典機器之前，還需要提出各種測試。“作為一個社群，我們都應該專注於——無論我們是在研究超導量子位元還是俘獲離子或其他什麼——將量子體積推得越來越高，這樣我們才能真正製造出越來越強大的量子處理器，並做一些我們從未想過的事情，”周杰瑞說。
更好，而非更大
門羅將他的五量子位元俘獲離子系統與IBM的五量子位元處理器進行了比較，在兩者上運行了相同的簡單演算法，發現效能相當。他說，最大的區別在於俘獲離子都透過電磁力相互連線：在一個30個離子的串中晃動一個離子，其他所有離子都會做出反應，從而可以輕鬆快速且準確地在它們之間傳遞資訊。在金屬線環超導電路中，只有一些量子位元是連線的，這使得資訊傳遞過程較慢，並且可能引入錯誤。
超導電路的一個優點是它們易於使用製造計算機晶片的相同工藝來構建。它們在十億分之一秒內執行計算機的基本邏輯閘操作——即加、減或以其他方式操縱位元。另一方面，這種系統中的量子位元僅在毫秒（千分之一秒）內保持其量子狀態，因此任何操作都必須在該時間內完成。
相比之下，俘獲離子將其量子態保持數秒——有時甚至數分鐘或數小時。但是，這種系統中的邏輯閘執行速度比基於超導體的量子計算慢約1000倍。門羅說，這種速度降低對於僅有少量量子位元的簡單操作可能無關緊要。但是，隨著量子位元數量的增加，它可能會成為在合理的時間內獲得答案的問題。對於超導量子位元，數量的增加可能意味著將它們連線在一起的困難。
並且，無論使用何種技術，增加量子位元的數量都會使連線和操縱它們變得更加困難——因為必須在保持它們與外界隔離的同時進行，以便它們保持其量子態。大量原子或電子聚集在一起，經典物理學的規則就越佔上風——而單個原子的量子特性對整個系統的行為就越不重要。“當你使一個量子系統變大時，它就變得不那麼量子了，”門羅說。
周杰瑞認為，量子計算機將變得足夠強大，可以在大約五年內至少做一些超出經典計算機能力的事情——可能是在量子化學中的模擬。門羅說，在十年左右的時間裡，期望包含數千個量子位元的系統是合理的。在某種程度上，門羅說，研究人員在弄清楚如何構建這些系統之前，不會知道他們可以用這些系統做什麼。
現年65歲的普雷斯基爾說，他認為自己會活得足夠長，看到量子計算機像網際網路和智慧手機一樣對社會產生影響——儘管他無法準確預測這種影響會是什麼。“這些量子系統有點像在說數字系統聽不懂的語言，”他說。“我們從歷史上知道，我們根本沒有想象力來預測新的資訊科技能把我們帶向何方。”