離子阱 VS 超導(dǎo)：量子計算機(jī)哪家強(qiáng)？

在打造商用量子計算機(jī)的賽場上，離子阱系統(tǒng)正蓄勢待發(fā)。

一項一直以來被視為二軍的量子計算機(jī)制造技術(shù)正在翻身。量子計算在過去十年里從學(xué)術(shù)研究對象變成了大公司青睞的項目，而大家的目光都聚焦在同一個方法上：微型的超導(dǎo)線圈。包括IBM和英特爾（Intel）在內(nèi)的科技巨頭都選擇了這個方案。谷歌（Google）2019年推出了一臺超導(dǎo)計算機(jī)，并宣稱它實現(xiàn)了“量子優(yōu)越性”：首次執(zhí)行了一項經(jīng)典計算機(jī)做不到的計算。不過，在通向商業(yè)量子計算機(jī)的道路上，另外一項技術(shù)正蓄勢待發(fā)：用電場囚禁離子。

霍尼韋爾量子計算機(jī)的一個離子阱。來源：Honeywell Quantum Solutions

2020年初，科技制造企業(yè)霍尼韋爾（Honeywell）在十多年的默默研發(fā)后，首次推出了一臺用離子阱作為量子比特（qubit）基礎(chǔ)的量子計算機(jī)�？偛课挥诿绹�北卡羅萊納州的霍尼韋爾是全球首個嘗試這一路線的公司。10月，也就是開發(fā)成功之后的7個月，霍尼韋爾展示了一臺升級版的計算機(jī)，并已計劃好如何擴(kuò)大其規(guī)模。

不久前，馬里蘭大學(xué)的衍生公司IonQ公布了一臺離子阱計算機(jī)，或能達(dá)到IBM與谷歌的計算機(jī)的水平，不過IonQ尚未公開其運算能力的細(xì)節(jié)。更小的一些初創(chuàng)公司——例如英國的Universal量子公司和奧地利的Alpine量子技術(shù)公司——也在為離子阱項目吸引資金。

離子阱量子計算機(jī)并不是新技術(shù)：1995年[1]的第一個基本量子線圈里面的量子比特就是基于這項技術(shù)，這可比超導(dǎo)線圈早多了。但是將它組裝成可行的商用系統(tǒng)“似乎現(xiàn)在才開始井噴”，美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所（NIST）的量子物理學(xué)家Daniel Slichter說。

來源：Honeywell Quantum Solutions

“人們現(xiàn)在會在同一句話里面說出‘超導(dǎo)’和‘離子阱’，而哪怕五年前都不會有人這么說�！瘪R里蘭大學(xué)的物理學(xué)家Chris Monroe說。他參與過1995年的實驗，同時也是IonQ的創(chuàng)始人之一。量子計算尚處襁褓之中，雖然各大公司都競相宣稱自己的量子計算機(jī)是最先進(jìn)的（參見“誰的最強(qiáng)？”），但現(xiàn)在探討哪種硬件會最終勝出仍然為時過早——甚至到最后也不一定會有壓倒性的勝利者。各大公司所用技術(shù)的多樣性讓量子計算領(lǐng)域變得比以前更寬了。

大規(guī)模計算

經(jīng)典計算機(jī)用1和0儲存信息，而量子比特處于1和0的某種微妙的糾纏態(tài)。通過量子現(xiàn)象和量子糾纏，多個量子比特的狀態(tài)可以互相關(guān)聯(lián)。由于量子比特的量子態(tài)之間可以進(jìn)行波動型的干涉，因此量子計算機(jī)在執(zhí)行某些大規(guī)模計算時，可以達(dá)到比最好的經(jīng)典計算機(jī)快指數(shù)級的倍率。其中的一個應(yīng)用就是質(zhì)因數(shù)分解。

任何有著兩個可能的量子態(tài)的系統(tǒng)——例如超導(dǎo)線圈中的振蕩或是離子的能級——就可以構(gòu)成一個量子比特，但是所有硬件實現(xiàn)都有其利弊，并且在組成完整的量子計算機(jī)前會遇到一些根本性的難題。能夠讓量子計算體現(xiàn)出預(yù)期優(yōu)勢的計算機(jī)需要——用質(zhì)因數(shù)分解舉例的話——幾百萬個可以單獨操控的量子比特。而數(shù)量并不是唯一的問題：量子比特的質(zhì)量和量子比特間如何連接同樣重要。

微妙的量子比特及其運算會因噪聲而出錯，相連的量子比特越多出錯概率越大。如果想要幾百萬個量子比特一起計算，那么每個量子比特的錯誤率都必須小到足以通過“糾錯”流程來檢測和修復(fù)。不過，物理學(xué)家也希望有一定噪聲的較小系統(tǒng)能在近期投入實用。

誰的最強(qiáng)？

各大實驗室已經(jīng)為誰能做出量子比特數(shù)最多的量子計算機(jī)競爭很久了。但是，比賽誰家的計算機(jī)“最強(qiáng)大”意義不大，赫爾辛基大學(xué)的量子物理學(xué)家Sabrina Maniscalco說，“衡量表現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)有很多。”

2020年6月，美國技術(shù)公司霍尼韋爾宣稱造出了世界上在“量子體積”（quantum volume）上最強(qiáng)大的量子計算機(jī)。這么說是考慮了系統(tǒng)的量子比特數(shù)、連通性、噪聲和錯誤率，這也體現(xiàn)了計算機(jī)能夠應(yīng)付多復(fù)雜的問題。這臺計算機(jī)的量子體積是64，比當(dāng)時IBM最強(qiáng)的計算機(jī)多了一倍。量子體積比單純的量子比特數(shù)更適合用來比較，但仍然是比較粗的評價標(biāo)準(zhǔn)，Maniscalco說。

頭對頭比較是另一種比較計算機(jī)之間相對強(qiáng)度的方法，但這種方法也不是所有時候都好用，因為計算機(jī)的表現(xiàn)取決于問題本身，美國國家科學(xué)基金會的計算機(jī)科學(xué)學(xué)部負(fù)責(zé)人Margaret Martonosi說。如果不知道關(guān)鍵的特性在增大規(guī)模時會如何變化，那么原型機(jī)的表現(xiàn)就無法體現(xiàn)完整計算機(jī)的能力。

不論使用哪個評價標(biāo)準(zhǔn)，公司都應(yīng)當(dāng)在宣傳時慎之又慎，住在加利福尼亞州的計算機(jī)科學(xué)家Doug Finke說。他運營著一家追蹤業(yè)界新聞的網(wǎng)站，該網(wǎng)站名為“量子計算報告”（Quantum Computing Report）。霍尼韋爾所謂自己的計算機(jī)最強(qiáng)的說法并不成熟，因為使用量子體積的開發(fā)者并不多，他說。此外，就在10月，馬里蘭大學(xué)相關(guān)的IonQ首次正式使用了這一標(biāo)準(zhǔn)，并且他們說最新的計算機(jī)預(yù)期會有400萬的量子體積。如果證據(jù)確鑿，就會打破霍尼韋爾的記錄。

另一個衡量量子計算機(jī)能力的標(biāo)準(zhǔn)是能否在特定問題上戰(zhàn)勝經(jīng)典計算機(jī)——2019年谷歌用一臺54個量子比特的計算機(jī)實現(xiàn)了這個超越。對Finke來說，在一個有商業(yè)價值的問題上實現(xiàn)這種“量子優(yōu)越性”才是“評價量子計算機(jī)是否成功的真正標(biāo)準(zhǔn)”。

有利有弊

在過去的幾年里，超導(dǎo)線圈技術(shù)突飛猛進(jìn)，險些就要把離子阱技術(shù)打入冷宮。谷歌和IBM等公司已經(jīng)開發(fā)出了大約50多個高質(zhì)量量子比特的計算機(jī)。IBM的目標(biāo)是在2023年擁有一臺1000個量子比特的計算機(jī)。加州大學(xué)圣巴巴拉分校的量子物理學(xué)家John Martinis在2020年4月前一直是谷歌量子硬件部門的負(fù)責(zé)人，他認(rèn)為谷歌會繼續(xù)使用實現(xiàn)量子優(yōu)越性的計算機(jī)基本架構(gòu)來完成下一個里程碑：量子糾錯。

至今為止，超導(dǎo)量子比特的優(yōu)勢在于很多公司都很熟悉，因為其基本元件與經(jīng)典芯片技術(shù)相容。但是離子阱的量子比特——通過電場囚禁的單個帶電原子的能級儲存信息——有很多內(nèi)在的優(yōu)勢，赫爾辛基大學(xué)的Sabrina Maniscalco說。它們的運算更不容易出錯，并且單個離子的量子態(tài)會比超導(dǎo)量子比特的持續(xù)時間要長。畢竟超導(dǎo)線圈再小也是由很多個原子構(gòu)成的。此外，超導(dǎo)量子比特容易只和最近的鄰居互動，而離子阱可以和很多個其他離子互動，這就讓執(zhí)行復(fù)雜計算變得更加容易了，她說。

但是離子阱也有其問題：離子之間的交互比超導(dǎo)量子比特要慢，而這在處理系統(tǒng)中產(chǎn)生的實時誤差上影響很大，美國量子軟件公司Turing的創(chuàng)始人Michele Reilly說。此外，一個阱里能容納多少離子并讓它們互相關(guān)聯(lián)也有上限。IonQ最新的模型中包含了32個離子，排成一條鏈；用激光摘出其中任何兩個都能讓它們互相關(guān)聯(lián)。為了讓規(guī)模擴(kuò)大到幾百個量子比特，IonQ正在嘗試用光子連接數(shù)個這樣的離子鏈。IonQ的目標(biāo)是每年讓量子比特數(shù)加倍。

霍尼韋爾量子計算機(jī)的控制室。來源：Honeywell Quantum Solutions

與此同時，霍尼韋爾的計劃是讓離子在一個巨大的芯片上穿梭移動[2]，以便讓所有離子互相關(guān)聯(lián)起來——這個想法最早是NIST在上世紀(jì)90年代提出的。霍尼韋爾量子解決方案（HQS）部門最新的系統(tǒng)叫做H1，只包含10個量子比特，但是部門的首席科學(xué)家Patty Lee說該公司正在打造下一個版本。在接下來的五年里，團(tuán)隊的計劃是將大約20個量子比特關(guān)聯(lián)起來，這應(yīng)當(dāng)足以讓他們的計算機(jī)解決一些經(jīng)典計算機(jī)望塵莫及的問題，HQS總裁Tony Uttley說。

主要的挑戰(zhàn)在于同時控制幾十個甚至上百個量子比特，并保證其質(zhì)量和精確度——霍尼韋爾和IonQ尚未證明自己有能力做到這件事。雖然很多必需的元件都已經(jīng)成熟，但是“還需要系統(tǒng)層面上的集成方案：組裝，測試，并解決問題�！焙商m代爾夫特理工大學(xué)的理論物理學(xué)家Barbara Terhal說。

勝者仍未決出

離子阱計算機(jī)并不是唯一一種能吸引到大量投資的技術(shù)。超導(dǎo)量子比特的成功為很多技術(shù)打開了大門，Slichter說。這之中包括了硅基自旋量子比特，即使用硅晶體內(nèi)嵌的原子的核自旋態(tài)儲存量子信息。為了嘗試這一技術(shù)，Martinis利用6個月的學(xué)術(shù)休假于9月加入了澳大利亞的硅量子計算公司——這是他在近二十年之后首次嘗試超導(dǎo)系統(tǒng)之外的技術(shù)。Martinis并不介意哪種技術(shù)最終會勝出�！拔蚁Ｍ�能為第一臺量子計算機(jī)的建造做出貢獻(xiàn)，但并不強(qiáng)求是我或是我所在的公司建造的�！彼�說。

競賽還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒到宣布勝利的時刻，Maniscalco說，可能永遠(yuǎn)也無法決出勝利者�！翱赡懿⒉粫�是某一個平臺獲勝，或許會出現(xiàn)某種融合技術(shù)，或是適用不同問題的不同平臺�！�