量子計算技術路線“百花齊放”

英國《自然》網站在6日的報道中指出，建造實用量子計算機的競賽正邁入新階段。此前領先的一些技術，如超導量子比特等目前正面臨擴大規模方面的限制，而其他“小眾”技術正迅速迎頭趕上。目前量子計算技術路線已呈現“百花齊放”態勢，超導、離子阱、中性原子等競相“爭奇斗艷”，不過最終“花落誰家”仍是未知數。

疊加是秘密武器

量子比特相比傳統計算機比特更強大，是由于兩個獨特的量子現象：疊加和糾纏。疊加使量子比特能夠同時為0和1，而傳統比特只能為0或1。因為量子疊加態中同時存在多種狀態，所以可同時處理多種計算。

不過，為盡可能長時間地保持量子態，量子比特必須與周圍環境隔離開。但又不能過于孤立，因為它們必須相互作用才能執行計算。

荷蘭量子技術研究機構QuTech的研究總監伊文·萬德斯芬表示，這就使建造一臺實用量子計算機極具挑戰性，盡管如此，該領域最近10年取得的進展“令人印象深刻”。

超導“一馬當先”

在多種量子技術發展路線中，超導量子比特“一馬當先”。2019年，谷歌宣布開發出54個量子比特的超導量子芯片，其對一個電路采樣一百萬次只需200秒，而當時運算能力最強的超級計算機“頂點”需要一萬年，率先實現了“量子優越性”。

在這一領域，IBM公司去年11月宣布推出包含433個量子比特的量子芯片“魚鷹”，預計未來幾個月，該公司將推出首款擁有1000個量子比特的量子芯片“禿鷹”。

不過，科學家也指出，一旦芯片上超導量子比特的數量遠遠超過1000個，擴大規模就變得非常困難，因為每個量子比特都需要與外部電路相連以便進行控制。因此，IBM計劃采用模塊化方法，從2024年起將不再執著于增加芯片上量子比特的數量，而是將多個芯片連接到一臺機器上。

離子阱“不甘示弱”

離子阱技術路線由于量子比特相干時間長、量子比特之間的連接性好、邏輯門操作保真度高等特點備受業界關注，現已成為通用量子計算機發展中的領先路線之一。

但離子阱量子計算機更難擴展，部分原因在于需要單獨的激光設備來控制每個離子。美國初創公司IonQ開發出的方法能將多行離子封裝到一個芯片內，量子比特的數量可能多達1024個。

IonQ也計劃采用模塊化方法連接多個芯片，實驗表明其離子阱量子比特的置信度高達99.99%。

中性原子“駛入快車道”

另一種技術可能會突破1000個量子比特。該技術使用聚焦的激光束（光鑷）捕獲中性原子，并用原子的電子態或原子核的自旋編碼量子比特。這種方法已發展了十多年，現在正“駛入快車道”。

研究人員已利用光鑷建立了由200多個中性原子組成的陣列，他們正迅速將新技術和現有技術結合，以用于實用量子計算機的研制過程。

這項技術的一個主要優點是，可讓多種類型的光鑷與其攜帶的原子相結合。這就使該技術比超導等其他平臺更靈活。在超導回路內，每個量子比特只能與芯片上的“近鄰”相互作用。

這種方法獲得的量子比特的置信度很快將達到99%，但進一步提升仍需大量研究。

硅自旋電子等“迎頭趕上”

其他量子比特技術盡管仍處于起步階段。

一種方法是利用被硅等傳統半導體內部電場捕獲的單個電子的自旋作為量子比特編碼信息。去年9月，QuTech團隊在《自然》雜志上發表論文稱，他們設計并實現了創紀錄的6個硅基自旋量子比特處理器，能以較低誤差率運行，有助于實現基于硅的可擴展量子計算。盡管該技術能與先進的半導體制造技術兼容，但與超導等平臺相比，硅自旋量子比特的規模目前還很落后，該領域的主要挑戰和重要方向在于擴大量子比特數量的同時實現所有組件的高保真度。

還處于概念階段的拓撲量子比特已獲得大量投資。理論上，拓撲量子比特比傳統量子比特具有更低的錯誤率，因此能以更低的費用實現可擴展量子計算。微軟公司現在正致力于演示第一個拓撲量子比特。

研究人員指出，這些計算平臺都有希望，但最終開發出實用型量子計算機可能還需更具創新性的想法。