构建世界上首台有意义的量子计算机的竞赛正在进行中——这台计算机能够实现该技术长期以来承诺的能力，帮助科学家们完成诸如开发神奇的新材料、以近乎完美的安全性加密数据以及准确预测地球气候将如何变化等任务。 这样的机器可能还需要十年以上的时间才能问世，但 IBM、微软、谷歌、英特尔和其他科技巨头都在不遗余力地宣传沿途的每一个微小的、渐进的步骤。 这些里程碑中的大多数都涉及在处理器芯片上封装越来越多的量子比特，或量子位——量子计算机中的基本信息单位。 但通往量子计算的道路远不止是驾驭亚原子粒子。
量子位可以同时表示 0 和 1，这是一种独特的量子现象，在物理学中被称为叠加。 这使得量子位能够同时进行大量计算，从而大规模提高计算速度和容量。 但量子位有不同的类型，并非所有量子位都是相同的。 例如，在可编程硅量子芯片中，一个比特是 1 还是 0 取决于其电子的自旋方向。 然而，所有量子位都非常脆弱，有些量子位需要约 20 毫开尔文的温度——比深空冷 250 倍——才能保持稳定。
当然，量子计算机不仅仅是其处理器。 这些下一代系统还需要新的算法、软件、互连以及许多其他尚未发明的技术，这些技术专门用于利用系统强大的处理能力——并允许共享或存储计算机的结果。 英特尔实验室量子硬件主管 Jim Clarke (pdf) 说：“如果这不复杂，我们早就拥有其中一台了。” 在今年早些时候的美国消费电子展上，英特尔推出了一款代号为“Tangle Lake”的 49 量子位处理器。 几年前，该公司为量子计算软件创建了一个虚拟测试环境； 它利用强大的“Stampede”超级计算机（位于得克萨斯大学奥斯汀分校）来模拟多达 42 量子位的处理器。 然而，Clarke 补充说，为了真正了解如何为量子计算机编写软件，他们将需要能够模拟数百甚至数千个量子位。
支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道： 订阅。 通过购买订阅，您正在帮助确保未来能够继续刊登关于塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的报道。
《大众科学》与 Clarke 讨论了构建量子计算机的不同方法、它们为何如此脆弱以及为何这一切都需要这么长时间。
[以下是经过编辑的采访文字稿。]
量子计算与传统计算相比如何？
常用来比较两者的一个常见比喻是硬币。 在传统的计算机处理器中，晶体管要么向上要么向下，要么正面要么反面。 但如果我问你一枚硬币在旋转时是正面还是反面，你可能会说答案两者都是。 这就是量子计算机的基础。 与传统的位要么是 0 要么是 1 不同，你有一个量子位，它同时表示 0和 1，直到量子位停止旋转并进入静止状态。
使用量子计算机，状态空间——或采样大量可能组合的能力——呈指数级增长。 进一步采用硬币的比喻，想象一下我手中有两枚硬币，我同时将它们抛向空中。 当它们都在旋转时，它们将代表四种可能的状态。 如果我将三枚硬币抛向空中，它们将代表八种可能的状态。 如果我有 50 枚硬币并将它们全部抛向空中，并问你这代表多少种状态，答案将是比当今世界上最大的超级计算机可能实现的状态还要多的状态。 三百枚硬币——仍然是一个相对较小的数字——将代表比宇宙中原子数量还要多的状态。
为什么量子位如此脆弱？
现实情况是，硬币或量子位最终会停止旋转并坍缩为特定状态，无论是正面还是反面。 量子计算的目标是让它们在多种状态的叠加中长时间旋转。 想象一下，我有一枚硬币在桌子上旋转，有人在摇晃那张桌子。 这可能会导致硬币更快地掉下来。 噪声、温度变化、电气波动或振动——所有这些都可能干扰量子位的运行并导致其丢失数据。 稳定某些类型量子位的一种方法是使其保持非常寒冷。 我们的量子位在一个稀释制冷机中运行，该制冷机大约有一个 55 加仑桶那么大，并使用氦的特殊同位素将其冷却到略高于绝对零度（大约 -273 摄氏度）的温度。
不同类型的量子位彼此之间有何不同？
量子位可能至少有六七种不同的类型，其中可能三四种正在被积极考虑用于量子计算。 不同之处在于你如何操纵量子位，以及如何让它们相互通信。 你需要两个量子位相互通信才能进行大型“纠缠”计算，并且不同类型的量子位具有不同的纠缠方式。 我描述为需要极端冷却的类型称为超导系统，其中包括我们的 Tangle Lake 处理器以及谷歌、IBM 和其他公司正在构建的量子计算机。 另一种方法是使用捕获离子的振荡电荷（通过激光束固定在真空室中）来充当量子位。 英特尔没有开发捕获离子系统，因为它们需要深入了解激光和光学，这不一定适合我们的优势。
话虽如此，我们正在研究第三种类型，我们称之为硅自旋量子位，它看起来与传统的硅晶体管完全相同，但使用单个电子运行。 自旋量子位使用微波脉冲来控制该电子的自旋，以传递其量子功率。 这项技术目前比超导量子位技术成熟度低几年，但可能在扩展和商业化方面有更大的前景。
如何从这里走到那一步？
第一步是制造这些量子芯片。 与此同时，我们实际上在超级计算机上制作了一个模拟器。 当我们运行 英特尔量子模拟器时，模拟 42 个量子位需要大约 5 万亿个晶体管。 要实现商业相关性，可能需要一百万个或更多量子位，但从这样的模拟器开始，你可以构建你的基本架构、编译器和算法。 然而，在我们拥有数百到数千个量子位的物理系统之前，尚不清楚我们将能够运行哪些类型的软件或应用程序。 扩大系统规模有两条途径： 一种是添加更多量子位，这将占用更多物理空间。 问题是，如果我们的目标是拥有一百万量子位的计算机，那么在扩展方面，数学运算效果不佳。 另一种途径是缩小集成电路的内部尺寸，但这对于往往很大的超导系统来说不太可能。 自旋量子位小一百万倍，这也是我们研究它们作为另一种选择的原因之一。
除此之外，我们还希望提高量子位的质量，这将有助于我们测试算法并构建我们的系统。 质量是指信息随时间推移传递的保真度。 虽然系统的许多部分都会提高质量，但最大的进步将来自材料工程以及微波脉冲和其他控制电子设备精度的提高。
美国众议院数字商务和消费者保护小组委员会最近就量子计算举行了听证会。 立法者想了解有关该技术的哪些信息？
多个不同的委员会即将举行多次听证会。 如果我们审视量子计算，有些人会说这是未来 100 年的计算技术。 美国和其他政府想要拥有它，这是很自然的。 欧盟有一个价值 10 亿美元的旗舰项目，将资助整个欧盟的量子研究。 中国去年秋天宣布建立一个价值 100 亿美元的研究机构，专注于量子信息科学。 问题是：作为一个国家，我们可以在国家层面做些什么？ 量子计算的国家战略可能会促使大学、政府和行业共同努力开发该技术的不同方面。 从通信或软件架构的角度来看，标准当然是有意义的。 劳动力也是一个问题； 目前，当我为量子计算专家开设职位时，大约三分之二的申请者来自美国境外。
如果有的话，量子计算可能对人工智能的发展产生什么影响？
通常，最初提出的量子算法是用于安全（例如密码学）或化学和材料建模。 这些问题对于传统计算机来说基本上是棘手的。 话虽如此，也有大量论文以及初创公司和大学研究小组致力于使用量子计算机进行机器学习和人工智能等工作。 考虑到人工智能开发的时间框架，我预计专门为人工智能算法优化的传统芯片对该技术的影响将大于量子芯片。 尽管如此，人工智能当然是量子计算的公平竞争领域。
我们何时才能看到量子计算机解决实际问题？
第一个晶体管于 1947 年问世。 第一个集成电路随后于 1958 年问世。 英特尔的第一款微处理器——只有大约 2,500 个晶体管——直到 1971 年才问世。 这些里程碑中的每一个都相隔十年以上。 人们认为量子计算机指日可待，但历史表明这些进步需要时间。 如果 10 年后我们拥有一台拥有数千个量子位的量子计算机，那肯定会像第一款微处理器那样改变世界。 我们和其他人一直在说它还需要 10 年。 有些人说它只需要三年，我认为他们不了解这项技术的复杂性。