如果你相信那些宣傳，量子計算機有望徹底改變世界。科學家們希望，這項新興技術的未來版本能夠使製藥公司在數週而不是數年內發現新藥，或者使政府能夠計算出如何養活世界不斷增長的人口的後勤。科技巨頭、初創公司和大學實驗室正在競相製造更大、更好的量子計算機。但到目前為止，還沒有人最終實現“量子優勢”——即量子計算機可以解決經典計算機無法解決的問題的臨界點。量子計算的關鍵要素是量子位元，不同的團隊正在押注不同的量子位元，以使量子計算機發揮出強大效能。
一個完整的量子計算系統可能像一個雙車車庫那麼大，如果考慮到平穩執行所需的所有裝置。但是，由量子位元組成的整個處理單元幾乎無法覆蓋你的指尖。
今天的智慧手機、筆記型電腦和超級計算機包含數十億個微小的電子處理元件，稱為電晶體，它們要麼開啟，要麼關閉，分別表示 1 或 0，這是計算機用來表達和計算所有資訊的二進位制語言。量子位元本質上是量子電晶體。它們可以存在於兩種明確定義的狀態中——比如，向上和向下——這代表了 1 和 0。但它們也可以同時佔據這兩種狀態，這增加了它們的計算能力。並且兩個——或更多——量子位元可以糾纏在一起，這是一種奇怪的量子現象，即使粒子彼此相隔宇宙，它們的狀態也會相互關聯。普林斯頓大學的量子物理學家 Nathalie de Leon 說，這種能力徹底改變了計算的執行方式，這也是量子計算機如此強大的部分原因。此外，簡單地觀察一個量子位元就可以改變它的行為，de Leon 說，這一特性可能會帶來更大的量子優勢。“量子位元非常奇怪。但我們可以利用這種奇怪性來開發新型演算法，這些演算法可以完成經典計算機無法完成的事情，”她說。
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科學家們正在嘗試各種材料來製造量子位元。它們範圍從奈米尺寸的晶體到鑽石中的缺陷，再到作為自身反粒子的粒子。每種材料都有優點和缺點。“現在說哪種最好還為時過早，”加州大學戴維斯分校的 Marina Radulaski 說。De Leon 同意。讓我們來看一看。
超導量子位元
最常登上頭條的量子位元是“超導”量子位元，這是正在開發量子計算機的兩家最大的公司 Google 和 IBM 的首選。谷歌最大的正常執行的計算機有 53 個超導量子位元，IBM 的有 433 個，儘管目前數量更多不一定更好。谷歌的量子位元由鋁製成；IBM 使用鋁和鈮的混合物，這兩種材料是這種量子位元型別最常用的材料。
超導量子位元通常是一個微小的金屬環或線，其行為類似於原子——一種固有的量子物體。量子位元的兩種狀態對應於這種人造原子的兩種能量狀態：其最低能量狀態，稱為基態，以及下一個更高的能量狀態。這些狀態是使用微波脈衝啟動和控制的。
超導量子位元成為早期量子計算的領先者，部分原因是它可以使用現有的製造和操作電子電晶體的技術進行製造和操作。量子位元處理器大約有指甲的厚度那麼寬。普林斯頓大學的量子計算工程師 Jeff Thompson 說，小尺寸是關鍵，因為估計表明，一臺改變世界的量子計算機將需要 100 萬到 1000 萬個量子位元。
雖然超導量子位元體積小且便宜，但操作它們所需的硬體卻並非如此。為了表現得像原子一樣，超導量子位元必須冷卻到絕對零度以上幾百分之一度，即零下 273 攝氏度。這樣做需要一臺稀釋製冷機，這臺機器比家用冰箱還要大，而且購買和操作成本要高得多。此外，每個量子位元至少需要兩根導線和其他硬體。“每個量子位元的成本最終非常高，” Thompson 說。
目前，科學家們只能在一臺稀釋製冷機中支援數十到數百個超導量子位元，但他們計劃達到數千個。對於數百萬個連線的量子位元，工程師們除了其他事項外，要麼需要建造更大的製冷機（他們正在努力應對這一挑戰），要麼需要量子連線——即糾纏訊號——位於不同製冷機中的超導量子位元陣列，這是一專案前無法實現的壯舉。雪城大學的超導量子位元專家 Britton Plourde 說，找到一種將量子資訊從一個冷量子位元中取出並放入另一個量子位元中的方法，是這項技術的“聖盃”。“這是一個非常困難的問題。”
離子阱量子位元
超導量子位元的一種流行的替代方案是離子阱量子位元：一種帶電原子或分子，其行為類似於微小的條形磁鐵。離子的兩種狀態對應於該磁鐵的兩種方向，例如向上和向下，並且可以透過用比人類頭髮還細的雷射束照射離子來設定。在過去的幾年裡，湧現出一些探索這項技術的公司，包括 Alpine Quantum Technologies（擁有一臺擁有 24 個量子位元的計算機）、IonQ（擁有 29 個量子位元）和 Quantinuum（擁有 32 個量子位元）。AQT 使用鈣離子；其他兩家公司使用鐿離子。
每家公司的離子阱計算機看起來略有不同，但它們都包含相同的元素：一塊硬幣大小或更大的計算晶片、一個圍繞該晶片的大啤酒罐大小的圓柱形真空室、一些雷射器和一個光探測器。晶片容納離子，並使用其微小印刷電路之間空隙中的電場捕獲它們。雷射器穿過真空室的視窗，冷卻離子並操作量子位元。
離子量子位元周圍空間的真空意味著它的狀態（0、1 或兩者）相對不受破壞狀態的空氣粒子的影響。因此，與超導量子位元的幾百微秒相比，它可以將量子資訊保留數分鐘到數小時。較長的壽命非常適合量子資料儲存，但對於執行復雜的計算來說，這可能會成為問題。這是因為賦予量子位元良好資料儲存能力（與環境的低互動）的特性使得難以控制量子位元之間的互動。因此，該系統上的計算需要更長的時間。
離子阱量子位元計算機也存在可擴充套件性問題。每個晶片最多隻能包含幾十個離子，而不會使它們之間的相互作用變得過於複雜而無法控制。要達到數百萬個量子位元，將需要在模組之間移動離子，這是科學家們尚未可靠實現的壯舉。還需要連線多個真空室中的晶片才能達到百萬量子位元的目標。
中性原子量子位元
對於所謂的中性原子量子位元，可擴充套件性問題較小。中性原子量子計算機就像帶電原子量子計算機一樣，但使用光而不是電力將原子固定到位。為了製造光阱，科學家們將雷射穿過位於包含中性原子的腔室上方的透鏡。透鏡將入射光束分成多個光點，每個光點都可以將一個原子固定到位。其他用於操作量子位元的雷射束也會發生相同的分裂。
科學家們已經建立了由 2 到 1,000 箇中性原子量子位元組成的陣列，QuEra 擁有一臺包含 256 箇中性銣原子的量子計算機，銣原子是一種常見的原子選擇。Thompson 說，下一代透鏡和雷射器可能會將這個數字提高到 10,000 或更多。“新增量子位元只需要將雷射分成更多光束，這簡化了擴充套件，”他說。中性原子量子位元也具有相當長的壽命，可以將其資訊保留數十秒。
中性原子量子位元沒有成為量子計算機競賽領跑者的原因之一是速度。到目前為止，它們每秒可以執行幾次計算——與離子阱量子計算機相當，但比超導量子位元系統慢 1000 多倍。儘管製造中性原子量子位元很容易，但操作起來卻很麻煩。執行復雜的計算需要用精確計時的雷射脈衝序列照射原子；研究人員尚未弄清楚如何高效快速地操作超過少量中性原子量子位元。一旦他們做到了——Thompson 相信他們會做到——中性原子可能會在計算能力上超過超導量子位元，搶佔頭條新聞。“我認為這個轉折點很快就會到來，除非發生任何不可預見的事件，” Thompson 說。
英格蘭埃克塞特大學的量子物理學家 Luca Dellantonio 說，即使取得了這樣的突破，能夠可靠地執行經典計算機無法完成的計算的系統仍然遙遙無期。Dellantonio 開發在量子硬體上執行的演算法。事實證明，操作量子位元只是挑戰中“容易”的部分。“困難”的部分是糾正量子計算進行過程中出現的錯誤，這種情況發生的頻率遠高於經典系統。當量子位元的狀態受到用於執行計算機的那些影響之外的某些影響而改變時，就會發生錯誤。“真的可能是任何東西，” Dellantonio 說。該因素可能是熱量、來自太空的輻射，或者世界另一端有人打噴嚏引起的噴嚏。“構建量子計算機的問題比科學家傾向於承認的要困難得多，”他補充道。“它會發生的，只是沒有人們想象的那麼快。”