構建實用量子計算機的競賽可能正在進入一個新階段。一些領先的技術現在正面臨尺寸限制，而另一些技術則正在迅速趕上。
多年來，兩種領先的方法使物理學家能夠取得進展，部分原因是透過在裝置中塞入越來越多的量子位元，量子位元相當於計算機的記憶體位。其中一種方法將量子位元編碼為在超導環路中執行的電流。另一種方法使用被電磁場捕獲在真空中的單個離子的激發態。
但在過去兩年中，由單箇中性原子（與離子相對）組成的量子位元，以及用雷射製成的“鑷子”固定的量子位元，突然變得具有競爭力。而其他處於更早期發展階段的技術也可能趕上。
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“超導量子位元和囚禁離子量子位元已經完成了最先進的實驗，控制了最多的量子位元，”荷蘭代爾夫特理工大學量子研究機構QuTech的理論物理學家Barbara Terhal說。“然而，這並不能保證這些平臺將保持領先地位。”
對量子位元的探索
量子計算機有望透過利用諸如量子疊加之類的現象來解決經典計算機無法解決的問題，在量子疊加中，一個物體可以同時存在於兩種狀態——例如，同時順時針和逆時針旋轉。物理學家將這種狀態稱為量子位元，以區別於只能是“0”或“1”的普通位元。
量子態是出了名的脆弱。在量子計算機中，它們攜帶的資訊——可以擴充套件到多個量子位元以形成“糾纏”態——往往會隨著計算的進行而退化或丟失。為了儘可能長時間地保持狀態，量子位元必須與環境隔離。但它們也不能彼此隔離太遠，因為它們必須相互作用才能執行計算。
這——以及其他因素——使得構建有用的量子計算機具有挑戰性。但該領域的發展已經超出了QuTech研究主管Lieven Vandersypen十年前的預期。“進展實際上令人印象深刻。”
谷歌在2019年成為頭條新聞，當時它聲稱一臺由54個超導量子位元組成的機器執行了首次量子計算，這在經典計算機上需要花費極其漫長的時間，研究人員將這一成就稱為量子優勢。技術公司IBM在超導量子位元方面投入了巨資，預計在未來幾個月內將達到一個里程碑，屆時它將推出一款名為Condor的量子晶片，這是第一個突破1000量子位元障礙的晶片。
去年11月，該公司宣佈了其之前的晶片，433量子位元的魚鷹（Osprey）——是127量子位元的鷹（Eagle）的後續產品，鷹在2021年創下了紀錄。“我們真的想制定一個像你期望從半導體行業看到的那樣的路線圖，”IBM托馬斯·J·沃森研究中心（位於紐約州約克鎮高地）量子計算機專案負責人Jerry Chow說。
質量與數量
Chow說，IBM的目標不僅是擴大量子位元的數量，還要提高其質量。他說，該公司的一些超導元件可以將它們的量子態保持超過300微秒——這是該技術的一項紀錄。在另一個關鍵指標中，涉及兩個量子位元的操作現在有99.9%是無錯誤的。
一旦晶片上的超導量子位元數量遠遠超過1000個，擴充套件規模就會變得不切實際，因為每個量子位元都需要單獨連線到外部電路以進行控制和讀出。因此，IBM將採取模組化方法。從2024年開始，其路線圖上的每一步都將旨在不增加晶片上的量子位元數量，而是將多個晶片連線成一臺機器——如果連線必須無損地傳輸量子態或幫助糾纏單獨晶片上的量子位元，這並非易事。這些晶片位於巨大裝置的核心，這些裝置被封裝在低溫系統中，使晶片保持接近絕對零度的溫度。
囚禁離子計算機可能比超導計算機具有更嚴格的尺寸限制，部分原因是它們需要單獨的雷射裝置來控制每個離子。通常，這意味著將阱限制為每晶片約32個離子的行。但從馬里蘭大學學院公園分校分拆出來的初創公司IonQ表示，其方法使其能夠將多行離子封裝到單個晶片中，可能達到多達1024個量子位元。為了超越這一點，IonQ還計劃轉向模組化方法，連線多個晶片。該公司發言人表示，在實驗室實驗中，囚禁離子的保真度已高達99.99%。
鑷子技術
另一項技術——直到幾年前還幾乎無人關注——也可能很快突破1000量子位元的障礙。它使用稱為光學鑷子的聚焦雷射束捕獲中性原子，並將量子位元編碼在原子的電子態或原子核的自旋中。馬薩諸塞州劍橋市哈佛大學的物理學家Giulia Semeghini說，這種方法已經逐步發展了十多年，但現在正“蓬勃發展”。
為了組裝多個量子位元，物理學家將單束雷射分成多束，例如透過使其穿過由液晶製成的螢幕。這可以建立數百個鑷子的陣列，每個鑷子捕獲自己的原子。原子通常與它們的鄰居相距幾微米，在那裡它們可以在量子態中持續幾秒或更長時間。為了使原子相互作用，物理學家將單獨的雷射指向其中一個原子，使其進入激發態，在該狀態下，外層電子比正常情況下更遠地繞原子核軌道執行。這增強了原子與其鄰居的靜電相互作用。
研究人員使用鑷子構建了超過200箇中性原子的陣列，他們正在迅速結合新的和現有的技術，將這些陣列變成完全工作的量子計算機。
該技術的一個主要優勢是物理學家可以結合多種型別的鑷子，其中一些鑷子可以快速移動——帶著它們攜帶的原子。哈佛大學物理學家Dolev Bluvstein說：“每次你想讓其中兩個原子相互作用時，你都會把它們放在一起。”這使得該技術比其他平臺（如超導體）更靈活，在超導體中，每個量子位元只能與其在晶片上的直接鄰居相互作用。包括Semeghini和Bluvstein在內的一個團隊在2022年4月的一篇論文中證明了這種靈活性。
Semeghini說，基於鑷子的量子位元應該很快達到99%的無錯誤率，儘管進一步的改進將需要大量工作。
中性原子改進的速度讓量子計算界感到驚訝。中國科學技術大學（USTC）合肥校區的物理學家陸朝陽說：“擴充套件到數千個原子量子位元的路徑是清晰的，並且很可能在兩年內實現。”
自旋控制
其他量子位元技術仍處於起步階段，但正在穩步發展。一種方法是將資訊編碼在被電場捕獲在傳統半導體（如矽）中的單個電子的自旋中。去年，Vandersypen和他的合作者展示了一臺完全工作的此類六量子位元機器2。與光學鑷子的情況一樣，電子自旋可以在裝置周圍移動，以便根據需要將它們移動到其他電子自旋旁邊。但與其他型別的量子位元一樣，一個主要困難是防止自旋在不應該相互影響時相互影響，物理學家稱之為串擾。
基於半導體的量子位元的優勢在於能夠在與當前計算機晶片相同的工廠中製造晶片，儘管由澳大利亞悉尼新南威爾士大學的物理學家Michelle Simmons領導的一個團隊使用自動化掃描隧道顯微鏡的尖端逐個原子地組裝器件。“一切都以亞奈米精度進行圖案化，”她說。
還有另一種方法仍處於概念階段，但它已獲得大量投資，尤其是來自微軟的投資。該技術旨在利用“拓撲態”使量子位元對退化具有魯棒性，就像一根打結的繩子，可以扭曲和拉伸，但不會解開。2020年，研究人員觀察到了一種拓撲保護的基本物理機制，他們現在正在努力演示第一個拓撲量子位元。
“今天追求的每個平臺都有一些希望，但開發它可能需要你無法預測的真正新穎的想法，”Vandersypen說。在中國科學技術大學（USTC）從事多種量子計算方法研究的物理學家潘建偉對此表示贊同。當談到開發量子計算機的競賽時，“現在說哪個候選者會獲勝還為時過早”。
本文經許可轉載，最初於2023年2月6日釋出。