科学家们长期以来梦想开发量子计算机，这种机器依靠神秘的物理定律来执行远超当今最强大的超级计算机能力的任务。理论上，这种机器可以创建标准计算机难以处理的数学模型，从而大大扩展天气预报和金融市场预测等的范围和准确性。它们可以模拟光合作用等物理过程，为绿色能源开辟新的前沿。量子计算还可以将人工智能提升到一个更高的高度：如果IBM的沃森已经可以在Jeopardy!节目中获胜并做出一些医疗诊断，那么想象一下一个极其智能的版本能做什么。
但是，为了实现这些愿景，科学家们首先必须弄清楚如何实际构建一台能够执行比最简单操作更多的量子计算机。他们现在比以往任何时候都更接近目标，IBM在2017年11月宣布了其迄今为止最复杂的量子系统，而谷歌表示，它有望推出一款具有所谓“量子霸权”的处理器——其能力是传统计算机无法比拟的。
小型系统已经存在，但在使其变得更大的竞赛中，下一步将必须确定量子计算机是否能够兑现其潜力。科学家和行业参与者主要关注两种方法之一。一种是将金属线环冷却到接近-273.15摄氏度，即绝对零度，将其变成超导体，电流在其中几乎没有电阻地流动。另一种方法依赖于俘获离子——稀土元素镱的带电原子，这些原子通过激光束固定在真空室中，并由其他激光器操纵。振荡电荷（在金属线和俘获离子中）充当量子比特，或“qubits”，可以利用它们来执行计算机的操作。
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量子飞跃
这两种方法的诀窍都在于弄清楚如何从已经演示的系统（仅包含少量量子比特）过渡到能够处理数百或数千甚至数百万个量子比特的系统，这对于量子技术似乎承诺的繁重工作是必需的。2016年，IBM通过其云门户向开发人员、研究人员和程序员提供了一个五量子比特的量子处理器用于实验。自那时以来，该公司取得了重大进展，透露已将其基于云的量子计算机升级到20量子比特处理器，并内部开发了一个50量子比特处理器原型，这可能是商业系统的基础。这两者都基于金属线环超导电路，谷歌的72量子比特处理器也是如此，该公司在2018年3月举行的美国物理学会年会上宣布了该处理器。谷歌量子人工智能实验室的工程师朱利安·凯利在一篇博客文章中写道，该公司“谨慎乐观”地认为它可以凭借其处理器实现量子霸权。
这些数字可能看起来并不令人印象深刻。但是，量子比特比传统计算机中作为最小数据单元的那种比特强大得多。这些比特基于电流的流动，构成了所有计算功能的数字语言：“关”表示0，“开”表示1，这两个状态编码了计算机的所有操作。然而，量子比特不是基于“是/否”的电子开关，而是基于粒子的量子属性，例如电子自旋的方向。在量子世界中，一个粒子可以同时存在于比简单的开/关更复杂的多种状态中——这种现象被称为叠加。“你可以有正面，你可以有反面，但你也可以有任何加权叠加。你可以有70-30的正反面，”马里兰大学帕克分校的物理学家、IonQ初创公司的创始人克里斯托弗·门罗说，该公司致力于使用俘获离子构建量子计算机。他目前正在研究一个基于该方法的32量子比特原型。
同时占据多个状态的非二进制能力使量子比特能够同时执行许多计算，从而极大地放大了它们的计算能力。这种能力随着量子比特数量的增加呈指数增长。因此，在49或50个量子比特左右，量子计算机达到了大约10千万亿比特的等效水平，并且能够进行经典计算机永远无法比拟的计算，加州理工学院的理论物理学家约翰·普雷斯基尔说。“它们是否会做有用的事情是另一个问题，”他说。尽管IBM已达到50量子比特的水平，而谷歌已超过它，但两者都尚未证明它们已经超越了经典计算机的能力。
IBM托马斯·J·沃森研究中心实验量子计算经理周杰瑞（Jerry Chow）表示，超导电路和俘获离子都有很好的机会达到50个量子比特左右的阈值，该中心位于纽约州约克镇高地。传统思维会认为更多的量子比特意味着更强大的功能，但周杰瑞指出，“这不仅仅关乎量子比特的数量。” 他更关注机器可以执行的计算的数量和质量，他称之为“量子体积”的指标。这包括额外的因素，例如量子比特执行计算的速度以及它们如何避免或纠正可能悄然出现的错误。其中一些因素可能会相互制约；例如，添加更多的量子比特可能会增加错误率，因为信息会从一个量子比特传递到另一个量子比特。量子霸权只是衡量量子计算机能力的一种可能的指标，他说，在社区可以声明一个系统真正超越了经典机器之前，还需要提出各种测试。“作为一个社区，我们都应该专注于——无论我们是在研究超导量子比特还是俘获离子或其他什么——将量子体积推得越来越高，这样我们才能真正制造出越来越强大的量子处理器，并做一些我们从未想过的事情，”周杰瑞说。
更好，而非更大
门罗将他的五量子比特俘获离子系统与IBM的五量子比特处理器进行了比较，在两者上运行了相同的简单算法，发现性能相当。他说，最大的区别在于俘获离子都通过电磁力相互连接：在一个30个离子的串中晃动一个离子，其他所有离子都会做出反应，从而可以轻松快速且准确地在它们之间传递信息。在金属线环超导电路中，只有一些量子比特是连接的，这使得信息传递过程较慢，并且可能引入错误。
超导电路的一个优点是它们易于使用制造计算机芯片的相同工艺来构建。它们在十亿分之一秒内执行计算机的基本逻辑门操作——即加、减或以其他方式操纵比特。另一方面，这种系统中的量子比特仅在毫秒（千分之一秒）内保持其量子状态，因此任何操作都必须在该时间内完成。
相比之下，俘获离子将其量子态保持数秒——有时甚至数分钟或数小时。但是，这种系统中的逻辑门运行速度比基于超导体的量子计算慢约1000倍。门罗说，这种速度降低对于仅有少量量子比特的简单操作可能无关紧要。但是，随着量子比特数量的增加，它可能会成为在合理的时间内获得答案的问题。对于超导量子比特，数量的增加可能意味着将它们连接在一起的困难。
并且，无论使用何种技术，增加量子比特的数量都会使连接和操纵它们变得更加困难——因为必须在保持它们与外界隔离的同时进行，以便它们保持其量子态。大量原子或电子聚集在一起，经典物理学的规则就越占上风——而单个原子的量子特性对整个系统的行为就越不重要。“当你使一个量子系统变大时，它就变得不那么量子了，”门罗说。
周杰瑞认为，量子计算机将变得足够强大，可以在大约五年内至少做一些超出经典计算机能力的事情——可能是在量子化学中的模拟。门罗说，在十年左右的时间里，期望包含数千个量子比特的系统是合理的。在某种程度上，门罗说，研究人员在弄清楚如何构建这些系统之前，不会知道他们可以用这些系统做什么。
现年65岁的普雷斯基尔说，他认为自己会活得足够长，看到量子计算机像互联网和智能手机一样对社会产生影响——尽管他无法准确预测这种影响会是什么。“这些量子系统有点像在说数字系统听不懂的语言，”他说。“我们从历史上知道，我们根本没有想象力来预测新的信息技术能把我们带向何方。”