在过去的二十年里，科学家们一直在尝试利用微观量子世界的特性，以实现信息处理和通信能力的飞跃。通过利用宇宙最小尺度物理学的几个特征——电子既是粒子又是波，一个物体可以同时存在于多个位置，即使两个粒子被广阔的距离隔开，它们也可以保持一种怪异的瞬时连接——量子机器可以使以前难以想象的计算、通信和测量任务变得微不足道。仅举一个例子，量子计算机应该能够破解“牢不可破”的密码。
与此同时，量子机器可以用于存储和通信信息，从而使隐私受到物理定律的保障。它们还可以用于模拟复杂化学和材料系统中的过程，而这些过程在其他情况下是难以处理的。量子系统还可以提高世界上最精确的计时器——原子钟的精度，并作为微型精密传感器，测量原子或分子尺度上化学和生物系统的特性，其应用范围从生物学和材料科学到医学。
这种潜力正是谷歌和英特尔等技术巨头、几家初创公司以及国防和其他政府机构在该领域投入巨资的原因。学术界也深受鼓舞：仅在2015年，三家主要期刊就发表了3000多篇提到“量子计算”或“量子信息”的科学论文。
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问题是，科学家们尚未能构建出实现这一承诺的大型量子机器。挑战在于，顾名思义，这种计算机必须在量子领域运行，然而，当我们试图构建足够大以至有用的计算机时，它的自然趋势是开始遵守宏观领域的经典规则。
构建一个在大型尺度上保持量子规则并发挥量子信息处理全部能力的系统，可能需要一种模块化方法，即将较小的、可证明的量子单元以一种不会扼杀其量子特性的方式连接起来。最近的工作已将这种所谓的模块化方法从理论领域扩展到小规模的成功测试，并为实现量子机器的独特潜力铺平了道路。
可能是零，也可能是一
早在20世纪80年代初，加州理工学院的理查德·费曼和牛津大学的大卫·多伊奇等物理学家和数学家就首次提出了可以利用量子世界来构建先进计算机的建议。这个想法在多年来一直停留在推测阶段，直到1994年，当时在AT&T贝尔实验室的彼得·肖尔展示了如何使用量子计算机快速分解大数，这激起了人们对该领域的兴趣。第一批基本的量子计算机出现在20世纪90年代末和21世纪初，当时研究人员构建了由原子、分子或光子组成的几个“比特”的简单系统。
正是量子粒子的特殊性质使量子计算能够优于其经典对应物。与经典计算中信息的基本单位（比特）取值为1或0不同，量子信息单位——量子比特可以同时存在于两种状态，这意味着它可以同时表示0和1。或者它可能是0，但也可能是一。或者同样可能为0或1。或者两种二进制状态的任何其他加权组合。量子比特之所以具有这种能力，是因为量子粒子可以同时存在于两个位置或物理状态——这种现象被称为叠加。
除了同时存在于两种状态之外，量子比特还可以通过一种称为量子纠缠的量子特性连接起来：空间上分离的粒子保持连接的能力，使得对一个粒子执行的动作会影响另一个粒子。这种特性赋予了量子计算机巨大的并行处理能力。当一组量子比特纠缠在一起时，对其中一个量子比特的简单操作可能会影响所有其他量子比特的状态。即使只有几个量子比特，所有这些相互依赖的0、1和其他叠加状态也会产生极其复杂的一系列可能结果。经典计算机一次只能处理一种可能性，而量子计算机可以有效地同时测试问题的所有可能解决方案。仅仅几百个量子比特就可以计算出一个结果表，其数量超过了宇宙中粒子的数量。
到目前为止，科学家们已经在许多实验室中创建了小型量子计算系统，这些系统最多使用10个量子比特。但是，随着我们增加量子比特，将系统与外部世界隔离变得越来越困难——任何这种干扰都会破坏使量子计算机变得特殊的特性。多个状态的量子叠加只能在隔离状态下存在。任何过早观察或测量的尝试都会迫使粒子崩溃成单一状态——选择一种可能性。此时，量子力学失效，量子比特恢复为经典计算机的传统比特。换句话说，量子物体的特殊能力通常只在非常小的系统中看到，并且当这些物体完全连接到一个更大的整体时就会崩溃——类似于一个独立音乐团体在很少有人知道它时可能最能吸引其粉丝的方式。大型系统通常过于复杂且隔离不足，无法进行量子力学行为——毕竟，我们不期望在同一时间在两个地方找到棒球，甚至生物细胞。
模块化量子系统
挑战变成了在不失去必要量子性的情况下进行扩展。通过简单地在一个网络中添加量子比特并将它们连接在一起，来蛮力创建大型量子系统很可能会失败。加拿大公司D-Wave Systems开发的机器的命运证实了这一预测，这些机器将数百或数千个单独的量子比特连接在一起。尽管公司官员坚称这些设备的速度超过了经典算法的计算速度，但我们尚未发现已发表的数据显示这些系统存在大规模纠缠或任何速度优势的证据。
然而，模块化技术提供了另一条前进的道路。这种解决方案类似于商业航空公司为管理复杂性而采用的策略。下次您飞行时，请查看您的机上杂志背面。航空公司的航线图大致说明了全尺寸量子计算机可能的样子。航空公司不会将每个城市与每个其他城市直接连接，因为物流和管理费用将是过高的。相反，他们使用中央枢纽来创建间接连接网络。牺牲直接连接性使他们能够扩展和管理更大的目的地网络。
同样，模块化量子计算机不会将每个量子比特连接到每个其他量子比特。相反，它将使用一些量子比特作为枢纽，这些枢纽将连接单独的模块，类似于亚特兰大作为连接美国东南部与其他地区的枢纽的方式。
模块化网络有助于控制量子比特之间相互作用的数量，同时允许每个模块保持与外部干扰隔离。它们通过允许数千甚至数百万个量子比特间接协作来弥补直接连接性的牺牲。但与传统模块化系统（如多核计算机处理器）不同，多核计算机处理器在内核之间以及内核内部使用相同类型的线路，模块化量子系统可能需要两种或多种不同类型的链路，以实现必要的纠缠，同时保持模块之间的隔离。在过去的十年中，已经出现了三种主要的模块化量子策略，它们使用不同类型的量子比特。我们三个人正在独立开发这些平台，我们相信它们将迎来更大的量子计算机，从而实现新型信息处理。
原子量子比特
最自然的量子比特类型是单个原子，其电子或核能级（有时称为自旋态）存储量子信息。原子量子比特从根本上是可扩展的，因为同一物种的多个原子几乎相同，不需要进行工程设计来匹配。激光束可以冷却原子，直到它们几乎处于静止状态，通过将动量从原子转移到散射的激光来冷却它们。我们在真空室中将原子悬浮在自由空间中进行所有这些操作，以防止它们与任何其他物质相互作用。
中性原子或带电原子（离子）都可以用作量子比特。为了限制中性原子量子比特，我们使用聚焦激光束或称为光学晶格的交叉激光束图案；世界各地数十个研究小组正在研究这些方法。尽管在单量子比特水平上控制和耦合中性原子很困难，但仍有许多有希望的前进道路。
作为替代方案，许多研究小组使用带正电荷的离子——去除电子的原子。离子通过其电斥力相互强烈作用，并且可以通过附近电极产生的电磁场来限制。我们可以激光冷却数百个捕获的离子，形成由各个原子组成的静止晶体，这些原子就像弹簧连接的相同摆锤一样。额外的控制激光器可以以某种方式推动离子，从而通过离子的振动来纠缠它们的自旋态，这是Ignacio Cirac和Peter Zoller（当时都在奥地利因斯布鲁克大学）于1995年首次提出的方案。在过去的几十年中，研究人员在这种方式下对单个捕获离子量子比特的控制和纠缠取得了惊人的进展。最近，由我们中的一位（Monroe）、美国国家标准与技术研究院的David J. Wineland和因斯布鲁克大学的Rainer Blatt领导的研究小组已经证明了多达20个捕获离子量子比特之间的高质量纠缠操作。
研究人员已经探索了两种方法来连接由这种纠缠离子晶体组成的模块。一种方法是通过空间物理移动一些离子量子比特，从一个模块移动到另一个模块，方法是将它们通过复杂的电极迷宫（Monroe，以及Wineland和当时在nist的David Kielpinski于2000年提出的一种方法）。可以使离子在电场波上在空间中冲浪，而不会干扰它们的量子比特状态。当离子在第二个模块着陆时，激光脉冲可以诱导它们形成新的纠缠。这两个模块，每个模块包含例如50个量子比特，成为计算的单个集合的一部分，这意味着现在100个量子比特协同工作，尽管连接薄弱。通过这种称为离子穿梭的技术，我们可以连接的模块数量在理论上没有限制。
这种方法的一个困难是控制复杂的离子阱，离子阱由数百或数千个精确定位的电极组成，这些电极完成穿梭。我们必须能够操纵所有必需的电极电压，以诱导离子在电极迷宫中冲浪。Sandia国家实验室和霍尼韦尔国际公司现在正在努力以可扩展的方式用硅或其他半导体材料制造离子阱电极。
连接离子量子比特模块的第二种方法是将原子留在原位。它依靠激光来促使离子发射与离子纠缠的光子（光粒子）。然后，这些光子可以在模块之间转移纠缠。这种类型的光子量子接口源于大约20年前由因斯布鲁克大学、加州理工学院和哈佛大学的研究人员开创的想法，并由Monroe在10年前证明。
光子连接技术的巨大优势在于，它允许我们连接可能相距很远的量子比特存储器，并且它也可以应用于其他类型的量子比特，例如中性原子以及超导和半导体量子比特，正如我们将讨论的那样。此外，我们可以通过光纤网络和交换机来扩展模块之间的光子连接，这些光纤网络和交换机可以让我们重新配置哪些量子比特被纠缠。这种策略的中心障碍是量子比特-光子链路通常效率低下，因为它需要捕获和引导这些光子。可能需要进行多次试验才能建立成功的连接。到目前为止，最好的尝试仅以每秒最多约10个纠缠链路的速率运行。然而，当前技术的扩展应该能够将此速率提高几个数量级。
超导量子比特
尽管原子可能是自然界的量子比特，但控制和扩展它们以形成更复杂的系统会带来一些工程问题。另一种策略是使用由超导材料制成的电路来设计“人造原子”。这些器件包含许多原子，但可以像简单、可控的量子比特一样工作，其中单个微波光子的存在或不存在，或者电路内部循环电流的顺时针/逆时针方向对应于“0”或“1”状态。这种量子电路具有明显的优势。我们可以通过设计来定制它们的特性，并使用传统集成电路的制造技术进行批量生产。值得注意的是，当它们在接近绝对零度的温度下运行时，它们可以在叠加态中持续足够长的时间，以充当强大的量子比特。在过去的15年中，这些系统的寿命提高了超过一百万倍。
在过去的十年中，对这些超导量子电路的研究取得了快速进展，证明了量子计算机的各种必要特征。许多学术实验室以及谷歌和IBM等工业参与者的研究人员现在可以操纵和纠缠多个超导量子比特。借助称为电路量子电动力学的技术，由我们中的一位（Schoelkopf）以及他的同事Michel H. Devoret和Steve Girvin（均在耶鲁大学）开创，我们还可以通过使用超导传输线在长距离上纠缠多个量子比特。
超导器件自然适用于模块化架构。我们可以在大型低温设备中通过超导线和测量设备在模块之间建立连接，同时通过相互屏蔽模块来减少模块之间的串扰和干扰。为了在模块之间产生纠缠，耶鲁大学、科罗拉多大学博尔德分校的JILA、加州大学伯克利分校和其他地方的研究人员开发了用于量子测量的特殊超导器件。
使用超导量子比特的模块化方法具有许多吸引人的特性。我们只需要批量生产和校准更适度的模块，然后逐个模块地构建复杂性，而无需构建和测试一个巨大的电路。我们可以消除或跳过有缺陷的模块，并重新连接模块之间的连接以创建不同的架构。开发微波到光量子换能器，然后通过光纤连接远程模块以创建远程量子网络或分布式量子计算机的工作也在进行中。
固态自旋量子比特
最后，第三种量子比特类型将信息编码在固态材料中的自旋态中。这种类型的量子比特有不同的模型，但我们中的一位（卢金）以及许多其他研究小组正在研究的一种有前景的方法是使用晶体中的缺陷来生成量子比特。一种这样的系统是碳原子的金刚石晶格，其中单个原子被氮原子取代，并且相邻位置是空的——一种称为氮-空位（NV）中心的杂质。电磁脉冲可以控制这种原子状杂质的电子自旋。在卢金及其同事开创的方法中，NV中心对其最接近的碳邻居的核自旋做出反应，从而形成由粒子之间的磁相互作用形成的相邻量子比特簇。然而，氮-空位杂质只有这么多近距离碳邻居，这限制了每个模块的量子比特总数少于十几个。
扩展需要连接多个NV模块。如果量子比特位于单独的晶格中，我们可以通过迫使每个量子比特发射光子然后测量光子来连接它们。但是，如果多个NV杂质存在于单个金刚石晶格中，我们也可以尝试使用称为声子的量子振动来连接它们，声子可以在杂质之间传输量子信息。
值得注意的是，尽管操纵编码在这些NV中心量子比特中的信息具有挑战性，但我们通常可以在室温下的环境条件下进行。在过去的十年中，德国斯图加特大学的Jörg Wrachtrup和现在的德国乌尔姆大学的Fedor Jelezko开创的观察单个NV中心的技术，使科学家能够使用单个电子自旋量子比特。由芝加哥大学的David Awschalom领导的一个团队已经能够在纳秒时间尺度上操纵这些量子比特，这与现代经典处理器的速度相当。
最近，荷兰代尔夫特理工大学的Ronald Hanson和他的同事使用纠缠光子纠缠了间隔超过一公里的单NV杂质量子比特，类似于先前讨论的连接离子的光子方法。目前，这个过程效率不高（在代尔夫特实验中，纠缠链路的建立速率仅为每小时几次），但最近在哈佛大学和麻省理工学院出现了一些新技术，可以使用纳米级光学器件大大提高效率。而且，由于我们已经有方法在单个金刚石晶格缺陷周围创建多个量子比特，并在超纯晶体（例如Element Six的科学家生长的晶体）中将它们存储超过一秒，因此NV中心显示出可扩展模块化量子计算架构的巨大潜力。
量子未来
由于该领域超过20年的研发，科学家们已经在小规模上实验测试了所有这些模块化量子计算方法。等待我们的任务是将这些技术扩展到更大的量子比特和模块集合，并开始将它们用于有趣的应用。我们相信这个目标现在指日可待。
量子未来既充满挑战又令人兴奋。随着量子机器变得越来越大，控制和验证整个系统是否确实在进行量子力学行为将变得越来越困难。幸运的是，模块化架构允许我们独立测试和验证各个模块以及它们之间的各种连接，而不会干扰整个系统。科学家们最近朝着这个目标迈出了重要的步伐。
即使是规模相对适中的模块化量子计算机也可能实现独特的应用。它们自然而然地为由通过纠缠光子连接的小型量子处理器组成的“量子互联网”提供了骨干。这些量子处理器可以充当转发器站，将安全量子通信的范围扩展到大陆距离——目前由于传统电信光纤中的光子损耗，安全量子通信的范围限制在约100公里。
模块化量子机器的元素已经融入到世界上一些最精确的计时器中，并且预计它们在中性原子和原子离子光学原子钟的新一代产品中的作用将会增长。科学家们已经提出建立一个由这种时钟组成的全球量子网络，以创建一个实时、单一的国际时间尺度或“世界时钟”，该时钟将以空前的稳定性和精度运行。
微型量子网络还可以充当复杂化学和生物系统中纳米尺度上电磁场和温度的精密传感器。例如，研究人员已经利用与固态杂质相关的电子和核自旋来实现具有单原子分辨率的磁共振成像。这项技术可用于直接成像单个分子，这将为基础生物学和材料科学提供信息，并为医疗诊断和药物发现提供新工具。
现在是停止询问量子计算是否可能的时候了，开始关注其大规模架构以及它将能够做什么。事实是我们不知道量子计算机将如何改变世界。但是随着模块化量子计算网络的出现，我们应该很快就会开始发现。
商业关系披露：克里斯托弗·R·门罗是一家初创公司ionQ的联合创始人兼知识产权共同发明人，该公司专注于使用本文中描述的方法开发原子量子计算机。罗伯特·J·斯科尔科普夫是一家初创公司Quantum Circuits的联合创始人、股权持有人和知识产权发明人，该公司正在开发用于量子计算的超导电路，其基础是本文讨论的技术。米哈伊尔·D·卢金是一家初创公司Quantum Diamond Technologies的联合创始人、顾问委员会成员和知识产权共同发明人，该公司专注于使用本文中描述的研究将量子传感器应用于医疗诊断。