长期以来，量子计算似乎是那些 20 年后才可能实现的技术之一，而且永远都是如此。但是，2017 年可能是该领域摆脱仅限于研究形象的一年。
计算巨头谷歌和微软最近聘请了许多领军人物，并为今年设定了具有挑战性的目标。他们的雄心壮志反映了初创公司和学术研究实验室正在发生的更广泛的转变：从纯科学转向工程。
“人们真的在建造东西，”马里兰大学学院公园分校的物理学家克里斯托弗·门罗说，他于 2015 年共同创立了初创公司 IonQ。“我从来没见过这样的事情。这不再仅仅是研究了。”
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谷歌在 2014 年开始研究一种利用超导的量子计算。它希望在今年或不久之后进行一项计算，其能力甚至超过最强大的“经典”超级计算机——这是一个难以捉摸的里程碑，被称为量子霸权。它的竞争对手微软押注于一个引人入胜但未经证实的概念，拓扑量子计算，并希望进行该技术的首次演示。
量子计算初创公司领域也正在升温。门罗计划今年开始认真招聘。康涅狄格州纽黑文市耶鲁大学的物理学家罗伯特·舍尔科普夫，他是初创公司量子电路的联合创始人，以及前 IBM 应用物理学家查德·里盖蒂，他在加利福尼亚州伯克利成立了里盖蒂公司，他们表示预计很快将达到关键的技术里程碑。
学术实验室也处于类似的状态。“我们已经演示了所有组件和所有我们需要的功能，”舍尔科普夫说，他继续带领一个小组在耶鲁大学竞相制造量子计算机。他和其它研究人员表示，虽然还需要做大量的物理实验才能使各个组件协同工作，但现在主要的挑战在于工程方面。迄今为止，拥有最多量子比特的量子计算机（20 个）正在由奥地利因斯布鲁克大学的赖纳·布拉特领导的学术实验室进行测试。
经典计算机将信息编码为可以处于两种状态（0 或 1）之一的比特，而构成量子计算机的“量子比特”可以同时处于两种状态的“叠加”状态。这与量子比特共享一种称为纠缠的量子状态的能力相结合，应该能使计算机基本上同时执行许多计算。而且，原则上，每次添加额外的量子比特，这种计算的数量应该会增加一倍，从而导致指数级的加速。
这种速度应该允许量子计算机执行某些任务，例如搜索大型数据库或分解大数，这对速度较慢的经典计算机来说是不可行的。这些机器还可以作为一种变革性的研究工具，执行量子模拟，使化学家能够以前所未有的细节理解反应，或者使物理学家能够设计在室温下超导的材料。
关于如何构建量子比特，有许多相互竞争的方案。但是有两个领先者，它们在越来越长的时间内存储信息的能力得到了证实（尽管量子状态容易受到外部干扰），并且可以执行量子逻辑运算。舍尔科普夫帮助开创了一种方法，谷歌、IBM、里盖蒂和量子电路都采用了这种方法，它涉及将量子态编码为超导环路中的振荡电流。另一种方法，由 IonQ 和几个主要的学术实验室采用，是将量子比特编码在真空阱中由电场和磁场保持的单个离子中。
约翰·马蒂尼斯曾在加州大学圣巴巴拉分校工作，直到谷歌在 2014 年聘请了他和他的研究小组，他说，超导技术的成熟促使他的团队设定了实现量子霸权的宏伟目标。
该团队计划使用一种“混沌”量子算法来实现这一目标，该算法产生看起来像随机输出的结果 (S. Boixo 等，https://arxiv.org/abs/1608.00263 上的预印本；2016）。如果该算法在由相对较少的量子比特组成的量子计算机上运行，经典计算机可以预测其输出。但该团队预测，一旦量子计算机接近 50 个量子比特，即使是最大的经典超级计算机也无法跟上它的步伐。
计算的结果没有任何用途，但它们将证明量子计算机在某些任务中是无与伦比的——这是一个重要的心理门槛，将吸引潜在客户的注意，马蒂尼斯说。“我们认为这将是一个开创性的实验。”
但舍尔科普夫认为量子霸权“不是一个非常有趣或有用的目标”，部分原因是它回避了错误纠正的挑战：即系统在量子比特受到轻微扰动后恢复其信息的能力，随着量子比特数量的增加，这变得更加困难。相反，量子电路从一开始就专注于制造完全纠错的机器。这需要构建更多的量子比特，但这些机器也可以运行更复杂的量子算法。
门罗希望很快达到量子霸权，但这不是 IonQ 的主要目标。这家初创公司旨在制造拥有 32 甚至 64 个量子比特的机器，并且离子阱技术将使其设计比超导电路更灵活、更具可扩展性，他说。
与此同时，微软正在押注于最具证明价值的技术。拓扑量子计算依赖于物质的激发，这些激发通过像辫子一样缠绕在一起的方式来编码信息。存储在这些量子比特中的信息将比其他技术更耐受外部干扰，并且特别是会使错误纠正更容易。
目前还没有人能够创造出这种激发所需的物质状态，更不用说拓扑量子比特了。但是微软已经聘请了该领域的四位领导者，包括荷兰代尔夫特大学的利奥·库文霍文，他已经创造出似乎是正确类型的激发。“我告诉我的学生，2017 年是编织之年，”库文霍文说，他现在将在代尔夫特校园建立一个微软实验室。
其他研究人员则更加谨慎。“我不会发布任何关于未来的新闻稿，”布拉特说。科罗拉多州博尔德市国家标准与技术研究所的物理学家大卫·维因兰德，他领导着一个研究离子阱的实验室，也不愿做出具体的预测。“从长远来看，我持乐观态度，”他说，“但‘长期’意味着什么，我不知道。”
本文经许可转载，并于2017 年 1 月 3 日首次发表。