走进大众视野的量子计算机

　　量子计算机的发展方向如今尚不明确，但是对于国家政府和很多公司而言，量子计算的研究方向并不是量子优势、量子至上或者量子计算机在完成特定任务的过程中可以胜过传统计算机的优点。

　　全球都在为了量子计算机而竞争。最新数据显示，位于加州的Rigetti正处于这场比赛的领先位置，它的目标是在一年内造出一台128比特的计算机。

　　量子比特比传统计算机的比特要厉害得多。传统计算机的比特不是“0”，就是“1”。但是量子比特不同，它利用电子自旋的优势，可以同时为“0”和“1”。量子计算机的一个特点是它能够有效地通过各种不同的结果来检测系统故障。这些系统故障包括从加密破坏和路径故障到神经形态计算和分子建模的所有问题。根据《科学》最近发表的一篇文章表明，有些行业有可能将实现指数级加速。

　　但现在说这个还太早。即使是研究量子信息理论的领先企业IBM，也似乎已经厌倦了这种炒作。当然，IBM也希望可以将量子计算机技术商业化。和Rigetti和D-Wave一样，IBM最近向全球初创公司开放了自己的云端资源。

　　英特尔专门研究量子计算技术总监吉姆克拉克(Jim Clarke)表示，想要创造出真正的量子计算机仍然需要克服重重障碍。他说：“要想量子计算机大众化，我们需要克服在科学和工程技术领域的各种问题。”

　　英特尔认为自己已经找到了解决方案。它最近发布了一种量子芯片。这种量子芯片的体积非常小，即便将它放在橡皮擦上也不会掉下来。该芯片由大量量子比特组成，每个量子比特比一根头发还小一千倍。在典型的超导量子计算机中，量子比特存在于被冷却到超低温的超导线路中。英特尔的无晶体芯片依赖于易于控制和获取的传统组件——硅片。一些研究人员表示，刺激行业发展的传统硅片将成为量子计算机发展下一阶段的关键。

　　“我十分看好英特尔spin qubits芯片的发展前景。”普林斯顿大学物理学教授杰森佩塔(Jason Petta)说。他最近有一篇论文发表在《自然》杂志上，该论文描述了他的团队如何成功通过量子计算芯片传递有关电子自旋的信息。

　　Petta的团队向人们展示了如何利用光有效地处理数据。利用微波场，他们能够在原子(电子)和光(微波频率照片)之间交换一定量的能量。结果是一个简单又可程控的系统：单个电子的量子控制有可能将信息发送到一厘米之外的另一个量子位。

　　那么硅会在哪里发挥作用呢?当基于硅自旋的量子处理器工作时，两个粒子即电子和光子需要结合。但除非电子被隔离，否则这种情况不会发生。因此，研究人员建立了一个称为双量子点的陷阱指令：它是一个微小的硅腔，可以将电子保持在一个位置足够长的时间，使其电荷自旋结合。

　　在此过程中，硅是关键。它具有容纳特殊电子自旋轨道相互作用的独特能力，只需使用电力就可以运行。这些相互作用在硅中持续的时间通常比在其他材料中持续的时间更长，但是也可能难以控制。

　　为了解决干扰问题，包括来自设备本身的核，Petta和他的团队采取了一系列双量子点。双量子点效果比单量子点效果好，因为电子能够来回转换它们的自旋状态，使得精心设计的信息交换过程能够顺利进行。

　　Petta说，新的研究表明硅量子芯片有可能实现量产。相关量子计算研究人员也可能因此获利。

　　“作为计算机的基本量子电路，单量子比特与超导量子比特不相上下，也是我们固态芯片领域最直接的竞争对手。”Petta说。

　　硅量子比特大约比超导量子比特小一百万倍，这使工程师们能够将更多量子比特集合到单个芯片上。克拉克(Clarke)说，这种规模优势有助于扩大量子计算机的规模和路径。

　　克拉克(Clarke)说：“这将比使用超导量子比特更容易，虽然还有待证实。”

　　他补充道，相对于超导量子比特，硅量子比特运行环境的温度要稍微高一点。“这意味着你需要将集成电路放在更接近量子位平面的位置。如此一来，控制电子设备的空间将会更加紧密。”他说道。除了有助于设备更快地运行以外，硅片还可以促进那些需要独立空间的设备小型化。

　　Petta的论文描述的设备只有两个量子比特。Petta表示要增加量子比特的规模将需要很长的时间。他的实验室现在正在研究的是具有四个量子比特的设备。

　　“我们计划未来可以研究具有九个量子比特的设备，这将耗费我们好几年的时间。而且超过数十个量子比特的规模需要更大量的工程研究。”他说。

　　英特尔正在与另一个开展硅量子计算研究的团队合作，即荷兰代尔夫特理工大学的Vandersypen实验室。英特尔承诺在10年内对该研究项目投入5000万美元。该公司在位于俄勒冈州的公司总部附近制造芯片，并将芯片运往代尔夫特，以进行量子研究。

　　该实验室最近在《Nature》上发表的一篇论文描述了如何利用硅创造出能够处理量子算法的处理器。他们创建了一个由双量子点组成的可编程计算机，即在基于硅的设备中的双量子比特处理器。他们执行的一种算法，被称为Grover搜索算法，以其能够比传统计算机更快地在数据库中挖掘信息而闻名。

　　尽管如此，这些实验过程无法等同于基于硅的量子计算机在工厂车间大量生产的过程。“在很大程度上，他们不需要与设计整体顺序计算法的人合作。”Clarke分别举了Petta和Vandersypen描述过的双量子比特设备的典型例子。

　　扩大量子比特的规模

　　未来的量子计算机将不仅仅是一个量子处理器，就像现在的计算机不仅仅是一个微处理器一样。大规模生产依赖于许多移动部件，从控制电子设备到算法架构。

　　重大的技术问题仍未解决。这些问题如此复杂，以至于总是无法完全解决。比如，你能使两个量子比特在保持足够高且必要的保真度的同时进行交互作用吗?就算你能够让这两个量子比特相互作用，那么如果是四个量子比特呢?或者更多呢?

　　“每个量子比特都有自己的特点。”克拉克(Clarke)说。即使是具有90%保真度的量子设备也不能够进行大规模生产。然而，研究人员还在坚持解决这个问题。今年，有个团队利用天然硅达到了超过60%的保真度，还有一个团队最近利用同位素富集硅将双量子比特的保真度提高到将近95%。

　　“显然，要实现99%以上的保真度还需要耗费大量的时间和精力，但其增长趋势还是非常可观。”Petta说。“我们很清楚哪些问题需要我们时刻注意，才能提高双量子比特的保真度。”

　　另一个限制是控制电子设备的速度问题：它们对于自旋量子比特来说还不够快。

　　“这些量子比特不会长时间存在，”克拉克(Clarke)说。它们持续存在的时间太短，无法在大规模的系统中工作。尽管相关研究人员已经提出了可以对生命支持进行量子比拟的算法，即延长其寿命，但这尚未得到证实是否真的有效果。

　　Petta强调，还有一个关键的限制是原材料。就化学纯度和同位素富集而言，自旋量子需要纯度非常高的硅。

　　“到目前为止，美国尚未表示支持采集自旋量子比特相关材料的重大项目。我想不久之后就可以看到美国为了自旋量子比特所需的材料做出努力。”他说。

　　美国华盛顿一直对量子计算机技术很感兴趣。美国能源部最近宣布，它将为全国85个量子研究项目投入2.18亿美元。同时美国国家科学基金会将拨款3100万美元用于量子研究。Petta对自旋量子比特的研究也得到了美国国防部的资助，因为美国急于在这场量子计算机竞赛中击败中国这个强劲对手。

　　通过国会的议案也可以带来更多资金。众议院已经批准了《国家量子倡议法》。如果该法案通过了参议院批准，该法案将提供13亿美元，以支持未来10年对量子计算机的研究。

　　与此同时，Rigetti也表示向能够在其128比特的系统上构建应用程序的团队提供100万美元的奖金，因为这充分展示真正的量子优势。一般来说，人们认为量子计算机需要使用至少50个量子比特，才能真正超越传统计算机。

　　不过，估算是一个不容小觑的问题。克拉克(Clarke)表示，为特定计算任务实现量子优势所需的量子比特数量很大程度上取决于任务本身。在英特尔，他曾使用蛋白质折叠作为内部倡导量子计算的示例目标，但相信使用其他材料完成任务将需要更长的时间。

　　“我认为密码学非常复杂，因此第一代或第二代量子计算机对我们的生活可能不会产生太大的影响，”他说。“如果要使量子计算机真正改变我们的生活，这将需要一百万个量子比特。我们还有很长的路要走。”