誰(shuí)家的量子計(jì)算機(jī)最強(qiáng)?

在打造商用量子計(jì)算機(jī)的賽場(chǎng)上，離子阱系統(tǒng)正蓄勢(shì)待發(fā)。

一項(xiàng)一直以來(lái)被視為二軍的量子計(jì)算機(jī)制造技術(shù)正在翻身。量子計(jì)算在過(guò)去十年里從學(xué)術(shù)研究對(duì)象變成了大公司青睞的項(xiàng)目，而大家的目光都聚焦在同一個(gè)方法上：微型的超導(dǎo)線(xiàn)圈。包括IBM和英特爾（Intel）在內(nèi)的科技巨頭都選擇了這個(gè)方案。谷歌（Google）2019年推出了一臺(tái)超導(dǎo)計(jì)算機(jī)，并宣稱(chēng)它實(shí)現(xiàn)了“量子優(yōu)越性”：首次執(zhí)行了一項(xiàng)經(jīng)典計(jì)算機(jī)做不到的計(jì)算。不過(guò)，在通向商業(yè)量子計(jì)算機(jī)的道路上，另外一項(xiàng)技術(shù)正蓄勢(shì)待發(fā)：用電場(chǎng)囚禁離子。

2020年初，科技制造企業(yè)霍尼韋爾（Honeywell）在十多年的默默研發(fā)后，首次推出了一臺(tái)用離子阱作為量子比特（qubit）基礎(chǔ)的量子計(jì)算機(jī)。總部位于美國(guó)北卡羅萊納州的霍尼韋爾是全球首個(gè)嘗試這一路線(xiàn)的公司。10月，也就是開(kāi)發(fā)成功之后的7個(gè)月，霍尼韋爾展示了一臺(tái)升級(jí)版的計(jì)算機(jī)，并已計(jì)劃好如何擴(kuò)大其規(guī)模。

不久前，馬里蘭大學(xué)的衍生公司IonQ公布了一臺(tái)離子阱計(jì)算機(jī)，或能達(dá)到IBM與谷歌的計(jì)算機(jī)的水平，不過(guò)IonQ尚未公開(kāi)其運(yùn)算能力的細(xì)節(jié)。更小的一些初創(chuàng)公司——例如英國(guó)的Universal量子公司和奧地利的Alpine量子技術(shù)公司——也在為離子阱項(xiàng)目吸引資金。

離子阱量子計(jì)算機(jī)并不是新技術(shù)：1995年的第一個(gè)基本量子線(xiàn)圈里面的量子比特就是基于這項(xiàng)技術(shù)，這可比超導(dǎo)線(xiàn)圈早多了。但是將它組裝成可行的商用系統(tǒng)“似乎現(xiàn)在才開(kāi)始井噴”，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所（NIST）的量子物理學(xué)家Daniel Slichter說(shuō)。

“人們現(xiàn)在會(huì)在同一句話(huà)里面說(shuō)出‘超導(dǎo)’和‘離子阱’，而哪怕五年前都不會(huì)有人這么說(shuō)?！瘪R里蘭大學(xué)的物理學(xué)家Chris Monroe說(shuō)。他參與過(guò)1995年的實(shí)驗(yàn)，同時(shí)也是IonQ的創(chuàng)始人之一。量子計(jì)算尚處襁褓之中，雖然各大公司都競(jìng)相宣稱(chēng)自己的量子計(jì)算機(jī)是最先進(jìn)的（參見(jiàn)“誰(shuí)的最強(qiáng)？”），但現(xiàn)在探討哪種硬件會(huì)最終勝出仍然為時(shí)過(guò)早——甚至到最后也不一定會(huì)有壓倒性的勝利者。各大公司所用技術(shù)的多樣性讓量子計(jì)算領(lǐng)域變得比以前更寬了。

大規(guī)模計(jì)算

經(jīng)典計(jì)算機(jī)用1和0儲(chǔ)存信息，而量子比特處于1和0的某種微妙的糾纏態(tài)。通過(guò)量子現(xiàn)象和量子糾纏，多個(gè)量子比特的狀態(tài)可以互相關(guān)聯(lián)。由于量子比特的量子態(tài)之間可以進(jìn)行波動(dòng)型的干涉，因此量子計(jì)算機(jī)在執(zhí)行某些大規(guī)模計(jì)算時(shí)，可以達(dá)到比最好的經(jīng)典計(jì)算機(jī)快指數(shù)級(jí)的倍率。其中的一個(gè)應(yīng)用就是質(zhì)因數(shù)分解。

任何有著兩個(gè)可能的量子態(tài)的系統(tǒng)——例如超導(dǎo)線(xiàn)圈中的振蕩或是離子的能級(jí)——就可以構(gòu)成一個(gè)量子比特，但是所有硬件實(shí)現(xiàn)都有其利弊，并且在組成完整的量子計(jì)算機(jī)前會(huì)遇到一些根本性的難題。能夠讓量子計(jì)算體現(xiàn)出預(yù)期優(yōu)勢(shì)的計(jì)算機(jī)需要——用質(zhì)因數(shù)分解舉例的話(huà)——幾百萬(wàn)個(gè)可以單獨(dú)操控的量子比特。而數(shù)量并不是唯一的問(wèn)題：量子比特的質(zhì)量和量子比特間如何連接同樣重要。

微妙的量子比特及其運(yùn)算會(huì)因噪聲而出錯(cuò)，相連的量子比特越多出錯(cuò)概率越大。如果想要幾百萬(wàn)個(gè)量子比特一起計(jì)算，那么每個(gè)量子比特的錯(cuò)誤率都必須小到足以通過(guò)“糾錯(cuò)”流程來(lái)檢測(cè)和修復(fù)。不過(guò)，物理學(xué)家也希望有一定噪聲的較小系統(tǒng)能在近期投入實(shí)用。

誰(shuí)的最強(qiáng)？

各大實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)為誰(shuí)能做出量子比特?cái)?shù)最多的量子計(jì)算機(jī)競(jìng)爭(zhēng)很久了。但是，比賽誰(shuí)家的計(jì)算機(jī)“最強(qiáng)大”意義不大，赫爾辛基大學(xué)的量子物理學(xué)家Sabrina Maniscalco說(shuō)，“衡量表現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)有很多?！?/p>

2020年6月，美國(guó)技術(shù)公司霍尼韋爾宣稱(chēng)造出了世界上在“量子體積”（quantum volume）上最強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)。這么說(shuō)是考慮了系統(tǒng)的量子比特?cái)?shù)、連通性、噪聲和錯(cuò)誤率，這也體現(xiàn)了計(jì)算機(jī)能夠應(yīng)付多復(fù)雜的問(wèn)題。這臺(tái)計(jì)算機(jī)的量子體積是64，比當(dāng)時(shí)IBM最強(qiáng)的計(jì)算機(jī)多了一倍。量子體積比單純的量子比特?cái)?shù)更適合用來(lái)比較，但仍然是比較粗的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，Maniscalco說(shuō)。

頭對(duì)頭比較是另一種比較計(jì)算機(jī)之間相對(duì)強(qiáng)度的方法，但這種方法也不是所有時(shí)候都好用，因?yàn)橛?jì)算機(jī)的表現(xiàn)取決于問(wèn)題本身，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)的計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)部負(fù)責(zé)人Margaret Martonosi說(shuō)。如果不知道關(guān)鍵的特性在增大規(guī)模時(shí)會(huì)如何變化，那么原型機(jī)的表現(xiàn)就無(wú)法體現(xiàn)完整計(jì)算機(jī)的能力。

不論使用哪個(gè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，公司都應(yīng)當(dāng)在宣傳時(shí)慎之又慎，住在加利福尼亞州的計(jì)算機(jī)科學(xué)家Doug Finke說(shuō)。他運(yùn)營(yíng)著一家追蹤業(yè)界新聞的網(wǎng)站，該網(wǎng)站名為“量子計(jì)算報(bào)告”（Quantum Computing Report）。霍尼韋爾所謂自己的計(jì)算機(jī)最強(qiáng)的說(shuō)法并不成熟，因?yàn)槭褂昧孔芋w積的開(kāi)發(fā)者并不多，他說(shuō)。此外，就在10月，馬里蘭大學(xué)相關(guān)的IonQ首次正式使用了這一標(biāo)準(zhǔn)，并且他們說(shuō)最新的計(jì)算機(jī)預(yù)期會(huì)有400萬(wàn)的量子體積。如果證據(jù)確鑿，就會(huì)打破霍尼韋爾的記錄。

另一個(gè)衡量量子計(jì)算機(jī)能力的標(biāo)準(zhǔn)是能否在特定問(wèn)題上戰(zhàn)勝經(jīng)典計(jì)算機(jī)——2019年谷歌用一臺(tái)54個(gè)量子比特的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了這個(gè)超越。對(duì)Finke來(lái)說(shuō)，在一個(gè)有商業(yè)價(jià)值的問(wèn)題上實(shí)現(xiàn)這種“量子優(yōu)越性”才是“評(píng)價(jià)量子計(jì)算機(jī)是否成功的真正標(biāo)準(zhǔn)”。

有利有弊

在過(guò)去的幾年里，超導(dǎo)線(xiàn)圈技術(shù)突飛猛進(jìn)，險(xiǎn)些就要把離子阱技術(shù)打入冷宮。谷歌和IBM等公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了大約50多個(gè)高質(zhì)量量子比特的計(jì)算機(jī)。IBM的目標(biāo)是在2023年擁有一臺(tái)1000個(gè)量子比特的計(jì)算機(jī)。加州大學(xué)圣巴巴拉分校的量子物理學(xué)家John Martinis在2020年4月前一直是谷歌量子硬件部門(mén)的負(fù)責(zé)人，他認(rèn)為谷歌會(huì)繼續(xù)使用實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性的計(jì)算機(jī)基本架構(gòu)來(lái)完成下一個(gè)里程碑：量子糾錯(cuò)。

至今為止，超導(dǎo)量子比特的優(yōu)勢(shì)在于很多公司都很熟悉，因?yàn)槠浠驹c經(jīng)典芯片技術(shù)相容。但是離子阱的量子比特——通過(guò)電場(chǎng)囚禁的單個(gè)帶電原子的能級(jí)儲(chǔ)存信息——有很多內(nèi)在的優(yōu)勢(shì)，赫爾辛基大學(xué)的Sabrina Maniscalco說(shuō)。它們的運(yùn)算更不容易出錯(cuò)，并且單個(gè)離子的量子態(tài)會(huì)比超導(dǎo)量子比特的持續(xù)時(shí)間要長(zhǎng)。畢竟超導(dǎo)線(xiàn)圈再小也是由很多個(gè)原子構(gòu)成的。此外，超導(dǎo)量子比特容易只和最近的鄰居互動(dòng)，而離子阱可以和很多個(gè)其他離子互動(dòng)，這就讓執(zhí)行復(fù)雜計(jì)算變得更加容易了，她說(shuō)。

但是離子阱也有其問(wèn)題：離子之間的交互比超導(dǎo)量子比特要慢，而這在處理系統(tǒng)中產(chǎn)生的實(shí)時(shí)誤差上影響很大，美國(guó)量子軟件公司Turing的創(chuàng)始人Michele Reilly說(shuō)。此外，一個(gè)阱里能容納多少離子并讓它們互相關(guān)聯(lián)也有上限。IonQ最新的模型中包含了32個(gè)離子，排成一條鏈；用激光摘出其中任何兩個(gè)都能讓它們互相關(guān)聯(lián)。為了讓規(guī)模擴(kuò)大到幾百個(gè)量子比特，IonQ正在嘗試用光子連接數(shù)個(gè)這樣的離子鏈。IonQ的目標(biāo)是每年讓量子比特?cái)?shù)加倍。

與此同時(shí)，霍尼韋爾的計(jì)劃是讓離子在一個(gè)巨大的芯片上穿梭移動(dòng)，以便讓所有離子互相關(guān)聯(lián)起來(lái)——這個(gè)想法最早是NIST在上世紀(jì)90年代提出的?；裟犴f爾量子解決方案（HQS）部門(mén)最新的系統(tǒng)叫做H1，只包含10個(gè)量子比特，但是部門(mén)的首席科學(xué)家Patty Lee說(shuō)該公司正在打造下一個(gè)版本。在接下來(lái)的五年里，團(tuán)隊(duì)的計(jì)劃是將大約20個(gè)量子比特關(guān)聯(lián)起來(lái)，這應(yīng)當(dāng)足以讓他們的計(jì)算機(jī)解決一些經(jīng)典計(jì)算機(jī)望塵莫及的問(wèn)題，HQS總裁Tony Uttley說(shuō)。

主要的挑戰(zhàn)在于同時(shí)控制幾十個(gè)甚至上百個(gè)量子比特，并保證其質(zhì)量和精確度——霍尼韋爾和IonQ尚未證明自己有能力做到這件事。雖然很多必需的元件都已經(jīng)成熟，但是“還需要系統(tǒng)層面上的集成方案：組裝，測(cè)試，并解決問(wèn)題。”荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的理論物理學(xué)家Barbara Terhal說(shuō)。

勝者仍未決出

離子阱計(jì)算機(jī)并不是唯一一種能吸引到大量投資的技術(shù)。超導(dǎo)量子比特的成功為很多技術(shù)打開(kāi)了大門(mén)，Slichter說(shuō)。這之中包括了硅基自旋量子比特，即使用硅晶體內(nèi)嵌的原子的核自旋態(tài)儲(chǔ)存量子信息。為了嘗試這一技術(shù)，Martinis利用6個(gè)月的學(xué)術(shù)休假于9月加入了澳大利亞的硅量子計(jì)算公司——這是他在近二十年之后首次嘗試超導(dǎo)系統(tǒng)之外的技術(shù)。Martinis并不介意哪種技術(shù)最終會(huì)勝出?！拔蚁Ｍ転榈谝慌_(tái)量子計(jì)算機(jī)的建造做出貢獻(xiàn)，但并不強(qiáng)求是我或是我所在的公司建造的。”他說(shuō)。

競(jìng)賽還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)到宣布勝利的時(shí)刻，Maniscalco說(shuō)，可能永遠(yuǎn)也無(wú)法決出勝利者?！翱赡懿⒉粫?huì)是某一個(gè)平臺(tái)獲勝，或許會(huì)出現(xiàn)某種融合技術(shù)，或是適用不同問(wèn)題的不同平臺(tái)。”
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