去年 3 月，谷歌推出了 Bristlecone，一款具有 72 个量子位的量子处理器，从而一举成名。迄今为止，没有人做得更好，这是一个记录。但当我们听到这家网络巨头的专家讲话时，我们所期待的自豪感仍然非常有限。这是有充分理由的：量子计算领域在很大程度上仍未得到探索，技术挑战巨大。“我们有点像微处理器的诞生，当时我们制造了第一批芯片，但并不真正知道它们将如何运行。我们还有很多东西要学””，谷歌云技术总监凯文·基塞尔 (Kevin Kissell) 在泰瑞泰克论坛。“量子计算是一种完全不同的方法，我们才刚刚开始””，鲍勃·索伦森 (Bob Sorensen) 强调道，他是 Hyperion Research（一家从事市场研究的公司）专门研究量子计算的分析师。
当然，量子计算的原理现在已经掌握得很好了。正如我们在上一篇文章，“量子位”或“量子位”的使用为计算方法开辟了道路，其能力随着所使用的量子位的数量呈指数级增长。我们甚至已经有了可以从中受益的算法，例如 Shor 算法（将大数分解为素数）或 Grover 算法（在众多元素中搜索一个元素）。今天研究人员面临的大问题是物理量子位的制造，以及它们在计算机系统中的集成和操作。
量子力学的规则意味着量子计算机的架构与我们迄今为止所知道的有根本的不同。在经典计算机中，比特可以连续复制和传输。在量子系统中，这是不可能的，因为量子位读取会自动导致其叠加的量子态消失。然而，这种叠加（见上一篇文章）对量子计算非常感兴趣，因为它提供了大规模并行计算的可能性。简而言之，量子位注定要保持静态。
量子相干时间是问题的关键
要创建量子位，您必须拥有一个允许您创建和控制粒子及其量子态的硬件设备。目前正在探索几种技术，但都面临着相同的问题，即叠加量子态的不稳定性。这种叠加的情况（物理学家称之为量子相干性）极难维持，因为它对外部影响非常敏感。我们目前制造的量子位充其量只能持续一分钟，这在很大程度上不足以进行有趣的计算。
从这个角度来看，表现最好的量子位技术之一是电磁场捕获离子技术，这一原理自 20 世纪 50 年代以来就广为人知。这种量子位的相干状态可以长达 50 秒。这就是为什么该领域主要参与者之一的 IonQ 公司认为自己走在正确的轨道上。但计算时间非常慢——大约为微秒——并且扩展很困难。目前的记录是 14 个量子比特，这一记录可以追溯到 2011 年。
超导量子位吸引大品牌
这或许就是为什么三大计算机巨头谷歌、IBM和英特尔走上了另一条道路，即超导量子位。它们是由超导电路创建的，当温度接近绝对零、几毫开尔文（0 开尔文 = -273.15 摄氏度）的量级时，该电路会产生量子效应。这比捕获离子的限制要大得多，捕获离子可以在几开尔文的温度下进行操作。超导量子位还有另一个缺陷，那就是相干时间低，小于100微秒。但它们的一大优势是它们比基于捕获离子的量子位快一千倍。它们的组装也更简单，单元的控制和读取是通过射频波完成的。
到目前为止，结果非常有希望。这条道路的追随者已经制造出了迄今为止最大的量子系统。谷歌、英特尔和IBM的芯片分别达到了72、49和20个量子位。
不幸的是，所有这些量子位总是具有太高的错误率，甚至无法同化为单个真正的量子位或“逻辑量子位”，也就是说，其行为忠实于量子计算的数学理论的量子位。为了希望获得与逻辑量子位相当的效果，制造商应用了冗余和纠错技术，特别是通过乘以物理量子位。因此，谷歌工程师现在声称错误率低于 1%，这仍然是相当严重的。其他人也在努力改善这种情况。“我们认为我们很快就会拥有第一个逻辑量子位”IBM 苏黎世研究院量子计算首席专家 Stefan Filipp 估计，但没有给出具体的截止日期。
但即使我们拥有相当于第一个逻辑量子位的东西，我们也必须克服按比例放大的问题，才能获得具有真正容错性和真正有用的量子计算机。英特尔和 IBM 估计，要达到这一里程碑，需要拥有……超过一百万个物理量子位。在这个水平上，冷却成为一个真正的问题，因为超导量子位仍然相对较大，约为几毫米。然后尺寸变得难以管理。
硅量子位密度带来新希望
面对这种前景，英特尔最近决定投资第二条技术路径，即硅量子位。这也是CEA、硅量子计算公司以及世界各地各大学正在重点关注的领域。在这种情况下，量子位是通过冻结在 CMOS 晶体管通道中的电子自旋而实现的。为了实现这一目标，有必要再次将材料冷藏至几毫开尔文左右。“但我们希望最终能够适应一开尔文的温度”英特尔实验室量子应用和架构总监 Anne Matsuura 强调道。
该技术的支持者寄希望于这样一个事实：晶体管是一项非常成熟的技术，并且其制造工艺和基础设施已经存在。这可以简化扩大规模的过程。“通过使用纯化的硅同位素 28，我们可以获得相对良好保护的电子自旋，因此获得相当有趣的相干时间。硅的另一个优点是我们可以在每平方厘米上放置很多硅。”，CEA/Leti 逻辑组件集成实验室负责人 Maud Vinet 解释道。因此，创建和冷却数百万个量子位可能不会造成大问题。
目前的问题在于这些硅量子位的处理。该领域的记录由普林斯顿大学保持，该大学设计了具有两个量子位的芯片。在 CEA，我们刚刚演示了量子位的制造和控制。第二个人应该加入他“一年之内”，指定莫德·维内特。英特尔方面尚未宣布任何消息。
微软将一切赌注押在马约拉纳费米子上
然而，所有这些参与者都可能在量子道路上被微软超越，微软选择了一种更新、更奇特的技术，即基于马约拉纳费米子的量子位。这些是物理学家 Ettore Majorana 于 1937 年提出的量子粒子理论，并于 2012 年由代尔夫特理工大学的一组研究人员首次检测到。为了让它们出现，只需从纳米级超导线上取出一串电子，留下一个可用的空间即可。在这种情况下，量子叠加的魔力使得分裂一个电子以在两侧产生两个费米子成为可能。
这样一对费米子的优点在于其拓扑结构，使得叠加态特别稳定，并且可以设想一分钟量级的相干时间。就其本身而言，计算速度相当于超导量子位的计算速度。最后，拓扑量子位的支持者估计纠错技术比其他类型的量子位有效一千倍。
微软即将敲定其第一个量子位。那么这将是一个将它们相乘的问题。“从理论上来看，我们认为一切都解决了。我们有算法，我们有控制电路的设计，我们知道如何制造纳米线。我们现在正处于工程阶段，相信我们很快就能获得数百甚至数千个逻辑量子位”微软法国公司技术与安全总监 Bernard Ourghanlian 估计。
中央王国是光子王国
但最终，第一台量子计算机很可能完全来自其他地方。中国也在这一领域投入了大量的时间和金钱，他们的一个研究小组刚刚宣布创建 18 量子位量子系统基于另一种技术，即光子量子位。 后者的特殊性示威者是它只使用六个光子。事实上，科学家能够针对每个光子独立地利用三种不同的量子态。因此就有 18 个量子位。
这还不是全部。这 18 个量子位也将达到最大程度的纠缠，到目前为止，无论使用何种量子位技术，都没有人能够实现这一目标。然而，纠缠是量子计算中的一个基本属性，因为它允许量子位相互链接并进行有趣的计算。无论如何，这一研究方向不应掉以轻心，因为它是由物理学家领导的Jan-Wei Pan，第一个成功创建了允许量子通信在数千公里范围内加密的系统。这是迄今为止无与伦比的壮举。
简而言之，正如我们所看到的，量子计算是一个完全混乱的领域。研究领域有很多，每个参与者都认为——无论正确还是错误——都找到了正确的道路。但每个人都同意一点：第一台名副其实的量子计算机将在 10 年内面世。
