長期以來，量子計算似乎是那些 20 年後才可能實現的技術之一，而且永遠都是如此。但是，2017 年可能是該領域擺脫僅限於研究形象的一年。
計算巨頭谷歌和微軟最近聘請了許多領軍人物，併為今年設定了具有挑戰性的目標。他們的雄心壯志反映了初創公司和學術研究實驗室正在發生的更廣泛的轉變：從純科學轉向工程。
“人們真的在建造東西，”馬里蘭大學學院公園分校的物理學家克里斯托弗·門羅說，他於 2015 年共同創立了初創公司 IonQ。“我從來沒見過這樣的事情。這不再僅僅是研究了。”
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谷歌在 2014 年開始研究一種利用超導的量子計算。它希望在今年或不久之後進行一項計算，其能力甚至超過最強大的“經典”超級計算機——這是一個難以捉摸的里程碑，被稱為量子霸權。它的競爭對手微軟押注於一個引人入勝但未經證實的概念，拓撲量子計算，並希望進行該技術的首次演示。
量子計算初創公司領域也正在升溫。門羅計劃今年開始認真招聘。康涅狄格州紐黑文市耶魯大學的物理學家羅伯特·舍爾科普夫，他是初創公司量子電路的聯合創始人，以及前 IBM 應用物理學家查德·裡蓋蒂，他在加利福尼亞州伯克利成立了裡蓋蒂公司，他們表示預計很快將達到關鍵的技術里程碑。
學術實驗室也處於類似的狀態。“我們已經演示了所有元件和所有我們需要的功能，”舍爾科普夫說，他繼續帶領一個小組在耶魯大學競相製造量子計算機。他和其它研究人員表示，雖然還需要做大量的物理實驗才能使各個元件協同工作，但現在主要的挑戰在於工程方面。迄今為止，擁有最多量子位元的量子計算機（20 個）正在由奧地利因斯布魯克大學的賴納·布拉特領導的學術實驗室進行測試。
經典計算機將資訊編碼為可以處於兩種狀態（0 或 1）之一的位元，而構成量子計算機的“量子位元”可以同時處於兩種狀態的“疊加”狀態。這與量子位元共享一種稱為糾纏的量子狀態的能力相結合，應該能使計算機基本上同時執行許多計算。而且，原則上，每次新增額外的量子位元，這種計算的數量應該會增加一倍，從而導致指數級的加速。
這種速度應該允許量子計算機執行某些任務，例如搜尋大型資料庫或分解大數，這對速度較慢的經典計算機來說是不可行的。這些機器還可以作為一種變革性的研究工具，執行量子模擬，使化學家能夠以前所未有的細節理解反應，或者使物理學家能夠設計在室溫下超導的材料。
關於如何構建量子位元，有許多相互競爭的方案。但是有兩個領先者，它們在越來越長的時間記憶體儲資訊的能力得到了證實（儘管量子狀態容易受到外部干擾），並且可以執行量子邏輯運算。舍爾科普夫幫助開創了一種方法，谷歌、IBM、裡蓋蒂和量子電路都採用了這種方法，它涉及將量子態編碼為超導環路中的振盪電流。另一種方法，由 IonQ 和幾個主要的學術實驗室採用，是將量子位元編碼在真空阱中由電場和磁場保持的單個離子中。
約翰·馬蒂尼斯曾在加州大學聖巴巴拉分校工作，直到谷歌在 2014 年聘請了他和他的研究小組，他說，超導技術的成熟促使他的團隊設定了實現量子霸權的宏偉目標。
該團隊計劃使用一種“混沌”量子演算法來實現這一目標，該演算法產生看起來像隨機輸出的結果 (S. Boixo 等，https://arxiv.org/abs/1608.00263 上的預印本；2016）。如果該演算法在由相對較少的量子位元組成的量子計算機上執行，經典計算機可以預測其輸出。但該團隊預測，一旦量子計算機接近 50 個量子位元，即使是最大的經典超級計算機也無法跟上它的步伐。
計算的結果沒有任何用途，但它們將證明量子計算機在某些任務中是無與倫比的——這是一個重要的心理門檻，將吸引潛在客戶的注意，馬蒂尼斯說。“我們認為這將是一個開創性的實驗。”
但舍爾科普夫認為量子霸權“不是一個非常有趣或有用的目標”，部分原因是它迴避了錯誤糾正的挑戰：即系統在量子位元受到輕微擾動後恢復其資訊的能力，隨著量子位元數量的增加，這變得更加困難。相反，量子電路從一開始就專注於製造完全糾錯的機器。這需要構建更多的量子位元，但這些機器也可以執行更復雜的量子演算法。
門羅希望很快達到量子霸權，但這不是 IonQ 的主要目標。這家初創公司旨在製造擁有 32 甚至 64 個量子位元的機器，並且離子阱技術將使其設計比超導電路更靈活、更具可擴充套件性，他說。
與此同時，微軟正在押注於最具證明價值的技術。拓撲量子計算依賴於物質的激發，這些激發透過像辮子一樣纏繞在一起的方式來編碼資訊。儲存在這些量子位元中的資訊將比其他技術更耐受外部干擾，並且特別是會使錯誤糾正更容易。
目前還沒有人能夠創造出這種激發所需的物質狀態，更不用說拓撲量子位元了。但是微軟已經聘請了該領域的四位領導者，包括荷蘭代爾夫特大學的利奧·庫文霍文，他已經創造出似乎是正確型別的激發。“我告訴我的學生，2017 年是編織之年，”庫文霍文說，他現在將在代爾夫特校園建立一個微軟實驗室。
其他研究人員則更加謹慎。“我不會發布任何關於未來的新聞稿，”布拉特說。科羅拉多州博爾德市國家標準與技術研究所的物理學家大衛·維因蘭德，他領導著一個研究離子阱的實驗室，也不願做出具體的預測。“從長遠來看，我持樂觀態度，”他說，“但‘長期’意味著什麼，我不知道。”
本文經許可轉載，並於2017 年 1 月 3 日首次發表。