去年 3 月，Google推出了 Bristlecone，一款具有 72 個量子位元的量子處理器，從而一舉成名。到目前為止，沒有人做得更好，這是一個記錄。但當我們聽到這家網路巨頭的專家講話時，我們所期待的自豪感仍然非常有限。這是有充分理由的：量子計算領域在很大程度上仍未被探索，技術挑戰巨大。「我們有點像微處理器的誕生，當時我們製造了第一批晶片，但並不真正知道它們將如何運作。我們還有很多東西要學””，Google雲端技術總監凱文·基塞爾 (Kevin Kissell) 在泰瑞泰克論壇。“量子計算是一種完全不同的方法，我們才剛剛開始””，鮑勃·索倫森 (Bob Sorensen) 強調道，他是 Hyperion Research（一家從事市場研究的公司）專門研究量子計算的分析師。
當然，量子計算的原理現在已經掌握得很好了。正如我們在上一篇文章，「量子位元」或「量子位元」的使用為計算方法開闢了道路，其能力隨著所使用的量子位元的數量呈指數級增長。我們甚至已經有了可以從中受益的演算法，例如 Shor 演算法（將大數分解為質數）或 Grover 演算法（在眾多元素中搜尋一個元素）。今天研究人員面臨的大問題是物理量子位元的製造，以及它們在電腦系統中的整合和操作。
量子力學的規則意味著量子電腦的架構與我們迄今為止所知道的有根本的不同。在經典電腦中，位元可以連續複製和傳輸。在量子系統中，這是不可能的，因為量子位元讀取會自動導致其疊加的量子態消失。然而，這種疊加（見上一篇文章）對量子計算非常感興趣，因為它提供了大規模並行計算的可能性。簡而言之，量子位元注定要保持靜態。
量子相干時間是問題的關鍵
要創建量子位，您必須擁有一個允許您創建和控製粒子及其量子態的硬體設備。目前正在探索幾種技術，但都面臨相同的問題，即疊加量子態的不穩定性。這種疊加的情況（物理學家稱為量子相干性）極難維持，因為它對外部影響非常敏感。我們目前製造的量子位元充其量只能持續一分鐘，這在很大程度上不足以進行有趣的計算。
從這個角度來看，表現最好的量子位元技術之一是電磁場捕獲離子技術，這項原理自 20 世紀 50 年代以來就廣為人知。這就是為什麼該領域主要參與者之一的 IonQ 公司認為自己走在正確的軌道上。但計算時間非常慢——大約為微秒——擴展很困難。目前的記錄是 14 個量子位元，這項記錄可以追溯到 2011 年。
超導量子位吸引大品牌
這或許就是為什麼三大電腦巨頭Google、IBM和英特爾走上了另一條路，即超導量子位元。它們是由超導電路創建的，當溫度接近絕對零度、幾毫開爾文（0 開爾文 = -273.15 攝氏度）的量級時，該電路會產生量子效應。這比捕獲離子的限制要大得多，捕獲離子可以在幾開爾文的溫度下進行操作。超導量子位元還有另一個缺陷，就是相干時間低，小於100微秒。但它們的一大優點是它們比基於捕獲離子的量子位快一千倍。它們的組裝也更簡單，單元的控制和讀取是透過射頻波完成的。
到目前為止，結果非常有希望。這條道路的追隨者已經製造出了迄今為止最大的量子系統。 Google、英特爾和IBM的晶片分別達到了72、49和20個量子位元。
不幸的是，所有這些量子位元總是具有太高的錯誤率，甚至無法同化為單個真正的量子位元或“邏輯量子位元”，也就是說，其行為忠實於量子計算的數學理論的量子位元。為了希望獲得與邏輯量子位元相當的效果，製造商應用了冗餘和糾錯技術，特別是透過乘以物理量子位元。因此，Google工程師現在聲稱錯誤率低於 1%，這仍然是相當嚴重的。其他人也在努力改善這種情況。“我們認為我們很快就會擁有第一個邏輯量子位元”IBM 蘇黎世研究院量子運算首席專家 Stefan Filipp 估計，但沒有給出具體的截止日期。
但即使我們擁有相當於第一個邏輯量子位元的東西，我們也必須克服按比例放大的問題，才能獲得具有真正容錯性和真正有用的量子電腦。英特爾和 IBM 估計，要達到這個里程碑，需要擁有…超過一百萬個實體量子位元。在這個水平上，冷卻成為一個真正的問題，因為超導量子位元仍然相對較大，約為幾毫米。然後尺寸變得難以管理。
矽量子位密度帶來新希望
面對這種前景，英特爾最近決定投資第二條技術路徑，即矽量子位元。這也是CEA、矽量子運算公司以及世界各地各大學正在重點關注的領域。在這種情況下，量子位元是透過凍結在 CMOS 電晶體通道中的電子自旋而實現的。為了實現這一目標，有必要再次將材料冷藏至幾毫開爾文左右。“但我們希望最終能夠適應一開爾文的溫度”英特爾實驗室量子應用和架構總監 Anne Matsuura 強調。
該技術的支持者寄希望於這樣一個事實：晶體管是一項非常成熟的技術，並且其製造流程和基礎設施已經存在。這可以簡化擴大規模的過程。「透過使用純化的矽同位素 28，我們可以獲得相對良好保護的電子自旋，因此獲得相當有趣的相干時間。矽的另一個優點是我們可以在每平方公分上放置很多矽。”，CEA/Leti 邏輯組件整合實驗室負責人 Maud Vinet 解釋道。因此，創建和冷卻數百萬個量子位元可能不會造成大問題。
目前的問題在於這些矽量子位元的處理。該領域的記錄由普林斯頓大學保持，該大學設計了具有兩個量子位元的晶片。在 CEA，我們剛剛示範了量子位元的製造和控制。第二個人應該加入他“一年之內”，指定莫德·維內特。英特爾方面尚未宣布任何消息。
微軟將一切賭注押在馬約拉納費米子上
然而，所有這些參與者都可能在量子道路上被微軟超越，微軟選擇了一種更新、更奇特的技術，即基於馬約拉納費米子的量子位元。這些是物理學家 Ettore Majorana 於 1937 年提出的量子粒子理論，並於 2012 年由代爾夫特理工大學的一組研究人員首次檢測到。為了讓它們出現，只需從奈米級超導線上取出一串電子，留下一個可用的空間。在這種情況下，量子疊加的魔力使得分裂一個電子以在兩側產生兩個費米子成為可能。
這樣一對費米子的優點在於其拓樸結構，使得疊加態特別穩定，可以想像一分鐘量級的相干時間。就其本身而言，計算速度相當於超導量子位元的計算速度。最後，拓樸量子位的支持者估計糾錯技術比其他類型的量子位元有效一千倍。
微軟即將敲定第一個量子位元。那麼這將是一個將它們相乘的問題。「從理論上來看，我們認為一切都解決了。我們有演算法，我們有控制電路的設計，我們知道如何製造奈米線。我們現在正處於工程階段，相信我們很快就能獲得數百甚至數千個邏輯量子位元”微軟法國公司技術與安全總監 Bernard Ourghanlian 估計。
中央王國是光子王國
但最終，第一台量子電腦很可能完全來自其他地方。中國也在這一領域投入了大量的時間和金錢，他們的一個研究小組剛剛宣布創建 18 量子位元量子系統基於另一種技術，即光子量子位元。 後者的特殊性示威者是它只使用六個光子。事實上，科學家能夠針對每個光子獨立利用三種不同的量子態。因此就有 18 個量子位元。
這還不是全部。這 18 個量子位元也將達到最大程度的糾纏，到目前為止，無論使用何種量子位元技術，都沒有人能夠實現這一目標。然而，糾纏是量子計算中的一個基本屬性，因為它允許量子位元相互連結並進行有趣的計算。無論如何，這項研究方向不應掉以輕心，因為它是由物理學家領導的Jan-Wei Pan，第一個成功創建了一個允許量子通訊在數千公里範圍內加密的系統。這是迄今為止無與倫比的壯舉。
簡而言之，正如我們所看到的，量子計算是一個完全混亂的領域。研究領域有很多，每個參與者都認為——無論正確或錯誤——都找到了正確的道路。但每個人都同意一點：第一台名副其實的量子電腦將在 10 年內問世。
