过去10年,随着量子计算从学术研究转变为商业性部署,人们的注意力主要集中在,由IBM、谷歌和因特尔等科技巨头采用的微小超导环路(tiny superconducting loops)方法上。

但与此同时,一项长期被大公司边缘化的量子计算机制造技术正在发力中。

去年,超导技术使得谷歌能够大放厥词,宣布其“量子霸权优势”[2],量子计算机首次执行了比最佳经典计算机能力更强大的运算。

但是,离子阱技术在制造商用量子计算机方面,越来越受到关注。

今年早些时候,霍尼韦尔推出了其第一台量子计算机,使用离子阱作为量子比特的基础,不为人知的是,这项研究已经悄悄地进行了十多年,虽然后进入者很多,但霍尼韦尔是第一家采用这种方式的老牌企业。

今年10月,霍尼韦尔又发布了一款升级的机器H1,并规划了未来十年量子计算路线图。

群雄逐鹿量子计算机,离子阱是大方向还是大“陷阱”-量子客
图1|霍尼韦尔量子计算机的离子阱(来源:霍尼韦尔)

上个月,IonQ也发布了离子阱量子计算机,可与IBM和谷歌相媲美。尽管IonQ还没有公布其性能细节,但一些规模较小的公司——例如英国的Universal Quantum和奥地利的Alpine Quantum Technology——也在吸引投资,来用于离子阱项目。

离子阱量子计算机并非新奇事物,早在1995年第一个基本量子电路中量子比特中,离子阱就有所应用,远先于超导。

美国国家标准与技术研究院(NIST)的量子物理学家丹尼尔·斯里希特(Daniel Slichter)表示,将所有的努力都用以构建一个商业系统,倒是十分新奇。

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图2|霍尼韦尔在真空室内的离子阱(来源:霍尼韦尔)

IonQ的共同创始人Chris Monroe说:“我认为现如今人们将“超导”和“离子阱”相提并论为时过早,即使在五年前,这种说法都未曾出现过。”

量子计算仍处于起步阶段,尽管各个公司都在声称拥有最先进的技术,但现在断定某种硬件会占上风还为时过早。

随着一系列技术的发展,这个领域的规模将更加广阔。

 

大量的计算

任何具有两种状态的量子力学系统(例如超导环路中的振荡或离子的能级)——都可以形成量子比特,但硬件系统都有其优缺点,都面临着形成一台成熟的量子计算机的挑战。

一台符合原始期望值的量子计算机,比如说可以用来破解传统加密系统[3]的机器,需要数百万个独立的可控量子比特。

但是量子比特的大小并不是唯一的问题,其质量和彼此之间的连接程度,也相当重要。

随着量子比特连接数量的增加,由噪音引起的错误频率,在连接过程中也往往会增加。数百万个量子比特一同计算时,计算过程中出现的错误应到足够小,小到可以进行自我纠错。而物理学家们都希望其出错率极小[4],以至于在嘈杂环境中也可以正常运作。

 

利与弊

在过去的几年中,超导的快速发展可能会使离子阱望尘莫及。谷歌、IBM和其他公司已经开发出了约50个(或许更多)高质量量子比特的机器。IBM的目标是到2023年拥有1000个量子比特的计算机。

加利福尼亚大学的量子物理学家、谷歌的量子硬件负责人(直至今年四月)John Martinis认为,谷歌将使用与取得量子优势时相同的基本架构,来实现下一个重大里程碑——纠错。

迄今为止,超导量子比特从多家公司的使用习惯中受益,因为它们的基本组件与经典芯片技术是兼容的。但在电场中,单个带电原子能级内,存储信息的离子阱量子比特,有许多固有的优势。

与超导量子比特相比,其操作不易出错,且单个离子的微妙量子状态持续的时间更长。而超导量子比特虽然很小,但仍由大量原子组成。

此外,超导量子比特往往只与它们最近的邻域相互作用,而离子阱量子比特则可以与许多其他离子相互作用,这使得运行一些复杂计算时更加容易。

而且一个阱中能够容纳的离子也是有限的,IonQ最新的模型包含32个离子阱量子比特,用激光拔出任意两个都会产生相互作用。

为了扩展到数百个量子比特,该公司正在研究利用光子将多个量子比特连接起来的方法,其目标是每年将量子比特的数量增加一倍或更多。

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图3|霍尼韦尔量子计算机的控制室(来源:霍尼韦尔)

与此同时,霍尼韦尔计划通过物理方式,将每个离子在一个巨型芯片上进行相互连接,而这一想法是NIST早在上世纪90年代末提出的。

霍尼韦尔量子计算机的最新系统仅有10个量子比特,但其首席科学家表示,正在进行下一代系统的研发。

未来五年,计划连接约20个量子比特,使这台机器能够处理经典计算机上本不可能处理的问题。

挑战就在于,既要保证量子比特的质量和精度,又要同时控制数十个甚至数百个量子比特。而这项挑战无论是霍尼韦尔,还是IonQ,都未战胜。

尽管许多必要组件的发展已炉火纯青,但需要的是一个系统级别的综合方法,将所有组件组合在一起,对其进行测试,用其解决问题。

 

胜者尚不明确

投资者没有将目光局限于离子阱硬件设备,超导量子比特的成功为各种技术打开了大门。其中包括硅基自旋量子比特,它将量子信息,储存在嵌入硅晶体的,原子的核自旋状态中。

这场比赛还远远没有开始,胜利者可能永远不会出现。最终,也许没有哪个平台称得上是成功者,但是各个不同的平台,处理各个不同的任务,这样的组合是趋于完美的。

 

参考链接:

[1]https://www.nature.com/articles/d41586-020-03237-w

[2]https://www.nature.com/articles/d41586-019-03213-z

[3]https://www.nature.com/articles/d41586-020-03068-9

[4]https://www.nature.com/articles/d41586-019-02936-3

 

 

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|编  辑:王嘉雯      |审  校:Sakura