技術之戰——量子計算機競賽愈演愈烈

2020-11-22 量子客Qtumist

過去10年，隨著量子計算從學術研究轉變為商業性部署，人們的注意力主要集中在，由IBM、谷歌和因特爾等科技巨頭採用的微小超導環路方法上。

但與此同時，一項長期被大公司邊緣化的量子計算機製造技術正在發力中。

去年，超導技術使得谷歌能夠大放厥詞，宣布其「量子霸權優勢」，量子計算機首次執行了比最佳經典計算機能力更強大的運算。

但是，離子阱技術在製造商用量子計算機方面，越來越受到關注。

今年早些時候，霍尼韋爾推出了其第一臺量子計算機，使用離子阱作為量子比特的基礎，不為人知的是，這項研究已經悄悄地進行了十多年，雖然後進入者很多，但霍尼韋爾是第一家採用這種方式的老牌企業。

今年10月，霍尼韋爾又發布了一款升級的機器H1，並規劃了未來十年量子計算路線圖。

圖1｜霍尼韋爾量子計算機的離子阱（來源：霍尼韋爾）

上個月，IonQ也發布了離子阱量子計算機，可與IBM和谷歌相媲美。儘管IonQ還沒有公布其性能細節，但一些規模較小的公司——例如英國的Universal Quantum和奧地利的Alpine Quantum Technology——也在吸引投資，來用於離子阱項目。

離子阱量子計算機並非新奇事物，早在1995年第一個基本量子電路中量子比特中，離子阱就有所應用，遠先於超導。

美國國家標準與技術研究院（NIST）的量子物理學家丹尼爾·斯裡希特（Daniel Slichter）表示，將所有的努力都用以構建一個商業系統，倒是十分新奇。

圖2｜霍尼韋爾在真空室內的離子阱（來源：霍尼韋爾）

IonQ的共同創始人Chris Monroe說：「我認為現如今人們將「超導」和「離子阱」相提並論為時過早，即使在五年前，這種說法都未曾出現過。」

量子計算仍處於起步階段，儘管各個公司都在聲稱擁有最先進的技術，但現在斷定某種硬體會佔上風還為時過早。

隨著一系列技術的發展，這個領域的規模將更加廣闊。

大量的計算

任何具有兩種狀態的量子力學系統（例如超導環路中的振蕩或離子的能級）——都可以形成量子比特，但硬體系統都有其優缺點，都面臨著形成一臺成熟的量子計算機的挑戰。

一臺符合原始期望值的量子計算機，比如說可以用來破解傳統加密系統的機器，需要數百萬個獨立的可控量子比特。

但是量子比特的大小並不是唯一的問題，其質量和彼此之間的連接程度，也相當重要。

隨著量子比特連接數量的增加，由噪音引起的錯誤頻率，在連接過程中也往往會增加。數百萬個量子比特一同計算時，計算過程中出現的錯誤應到足夠小，小到可以進行自我糾錯。而物理學家們都希望其出錯率極小，以至於在嘈雜環境中也可以正常運作。

利與弊

在過去的幾年中，超導的快速發展可能會使離子阱望塵莫及。谷歌、IBM和其他公司已經開發出了約50個（或許更多）高質量量子比特的機器。IBM的目標是到2023年擁有1000個量子比特的計算機。

加利福尼亞大學的量子物理學家、谷歌的量子硬體負責人（直至今年四月）John Martinis認為，谷歌將使用與取得量子優勢時相同的基本架構，來實現下一個重大裡程碑——糾錯。

迄今為止，超導量子比特從多家公司的使用習慣中受益，因為它們的基本組件與經典晶片技術是兼容的。但在電場中，單個帶電原子能級內，存儲信息的離子阱量子比特，有許多固有的優勢。

與超導量子比特相比，其操作不易出錯，且單個離子的微妙量子狀態持續的時間更長。而超導量子比特雖然很小，但仍由大量原子組成。

此外，超導量子比特往往只與它們最近的鄰域相互作用，而離子阱量子比特則可以與許多其他離子相互作用，這使得運行一些複雜計算時更加容易。

而且一個阱中能夠容納的離子也是有限的，IonQ最新的模型包含32個離子阱量子比特，用雷射拔出任意兩個都會產生相互作用。

為了擴展到數百個量子比特，該公司正在研究利用光子將多個量子比特連接起來的方法，其目標是每年將量子比特的數量增加一倍或更多。

圖3｜霍尼韋爾量子計算機的控制室（來源：霍尼韋爾）

與此同時，霍尼韋爾計劃通過物理方式，將每個離子在一個巨型晶片上進行相互連接，而這一想法是NIST早在上世紀90年代末提出的。

霍尼韋爾量子計算機的最新系統僅有10個量子比特，但其首席科學家表示，正在進行下一代系統的研發。

未來五年，計劃連接約20個量子比特，使這臺機器能夠處理經典計算機上本不可能處理的問題。

挑戰就在於，既要保證量子比特的質量和精度，又要同時控制數十個甚至數百個量子比特。而這項挑戰無論是霍尼韋爾，還是IonQ，都未戰勝。

儘管許多必要組件的發展已爐火純青，但需要的是一個系統級別的綜合方法，將所有組件組合在一起，對其進行測試，用其解決問題。

勝者尚不明確

投資者沒有將目光局限於離子阱硬體設備，超導量子比特的成功為各種技術打開了大門。其中包括矽基自旋量子比特，它將量子信息，儲存在嵌入矽晶體的，原子的核自旋狀態中。

這場比賽還遠遠沒有開始，勝利者可能永遠不會出現。最終，也許沒有哪個平臺稱得上是成功者，但是各個不同的平臺，處理各個不同的任務，這樣的組合是趨於完美的。

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