构建实用量子计算机的竞赛可能正在进入一个新阶段。一些领先的技术现在正面临尺寸限制，而另一些技术则正在迅速赶上。
多年来，两种领先的方法使物理学家能够取得进展，部分原因是通过在设备中塞入越来越多的量子比特，量子比特相当于计算机的内存位。其中一种方法将量子比特编码为在超导环路中运行的电流。另一种方法使用被电磁场捕获在真空中的单个离子的激发态。
但在过去两年中，由单个中性原子（与离子相对）组成的量子比特，以及用激光制成的“镊子”固定的量子比特，突然变得具有竞争力。而其他处于更早期发展阶段的技术也可能赶上。
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讲述关于塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事。
“超导量子比特和囚禁离子量子比特已经完成了最先进的实验，控制了最多的量子比特，”荷兰代尔夫特理工大学量子研究机构QuTech的理论物理学家Barbara Terhal说。“然而，这并不能保证这些平台将保持领先地位。”
对量子比特的探索
量子计算机有望通过利用诸如量子叠加之类的现象来解决经典计算机无法解决的问题，在量子叠加中，一个物体可以同时存在于两种状态——例如，同时顺时针和逆时针旋转。物理学家将这种状态称为量子比特，以区别于只能是“0”或“1”的普通比特。
量子态是出了名的脆弱。在量子计算机中，它们携带的信息——可以扩展到多个量子比特以形成“纠缠”态——往往会随着计算的进行而退化或丢失。为了尽可能长时间地保持状态，量子比特必须与环境隔离。但它们也不能彼此隔离太远，因为它们必须相互作用才能执行计算。
这——以及其他因素——使得构建有用的量子计算机具有挑战性。但该领域的发展已经超出了QuTech研究主管Lieven Vandersypen十年前的预期。“进展实际上令人印象深刻。”
谷歌在2019年成为头条新闻，当时它声称一台由54个超导量子比特组成的机器执行了首次量子计算，这在经典计算机上需要花费极其漫长的时间，研究人员将这一成就称为量子优势。技术公司IBM在超导量子比特方面投入了巨资，预计在未来几个月内将达到一个里程碑，届时它将推出一款名为Condor的量子芯片，这是第一个突破1000量子比特障碍的芯片。
去年11月，该公司宣布了其之前的芯片，433量子比特的鱼鹰（Osprey）——是127量子比特的鹰（Eagle）的后续产品，鹰在2021年创下了纪录。“我们真的想制定一个像你期望从半导体行业看到的那样的路线图，”IBM托马斯·J·沃森研究中心（位于纽约州约克镇高地）量子计算机项目负责人Jerry Chow说。
质量与数量
Chow说，IBM的目标不仅是扩大量子比特的数量，还要提高其质量。他说，该公司的一些超导元件可以将它们的量子态保持超过300微秒——这是该技术的一项纪录。在另一个关键指标中，涉及两个量子比特的操作现在有99.9%是无错误的。
一旦芯片上的超导量子比特数量远远超过1000个，扩展规模就会变得不切实际，因为每个量子比特都需要单独连接到外部电路以进行控制和读出。因此，IBM将采取模块化方法。从2024年开始，其路线图上的每一步都将旨在不增加芯片上的量子比特数量，而是将多个芯片连接成一台机器——如果连接必须无损地传输量子态或帮助纠缠单独芯片上的量子比特，这并非易事。这些芯片位于巨大装置的核心，这些装置被封装在低温系统中，使芯片保持接近绝对零度的温度。
囚禁离子计算机可能比超导计算机具有更严格的尺寸限制，部分原因是它们需要单独的激光装置来控制每个离子。通常，这意味着将阱限制为每芯片约32个离子的行。但从马里兰大学学院公园分校分拆出来的初创公司IonQ表示，其方法使其能够将多行离子封装到单个芯片中，可能达到多达1024个量子比特。为了超越这一点，IonQ还计划转向模块化方法，连接多个芯片。该公司发言人表示，在实验室实验中，囚禁离子的保真度已高达99.99%。
镊子技术
另一项技术——直到几年前还几乎无人关注——也可能很快突破1000量子比特的障碍。它使用称为光学镊子的聚焦激光束捕获中性原子，并将量子比特编码在原子的电子态或原子核的自旋中。马萨诸塞州剑桥市哈佛大学的物理学家Giulia Semeghini说，这种方法已经逐步发展了十多年，但现在正“蓬勃发展”。
为了组装多个量子比特，物理学家将单束激光分成多束，例如通过使其穿过由液晶制成的屏幕。这可以创建数百个镊子的阵列，每个镊子捕获自己的原子。原子通常与它们的邻居相距几微米，在那里它们可以在量子态中持续几秒或更长时间。为了使原子相互作用，物理学家将单独的激光指向其中一个原子，使其进入激发态，在该状态下，外层电子比正常情况下更远地绕原子核轨道运行。这增强了原子与其邻居的静电相互作用。
研究人员使用镊子构建了超过200个中性原子的阵列，他们正在迅速结合新的和现有的技术，将这些阵列变成完全工作的量子计算机。
该技术的一个主要优势是物理学家可以结合多种类型的镊子，其中一些镊子可以快速移动——带着它们携带的原子。哈佛大学物理学家Dolev Bluvstein说：“每次你想让其中两个原子相互作用时，你都会把它们放在一起。”这使得该技术比其他平台（如超导体）更灵活，在超导体中，每个量子比特只能与其在芯片上的直接邻居相互作用。包括Semeghini和Bluvstein在内的一个团队在2022年4月的一篇论文中证明了这种灵活性。
Semeghini说，基于镊子的量子比特应该很快达到99%的无错误率，尽管进一步的改进将需要大量工作。
中性原子改进的速度让量子计算界感到惊讶。中国科学技术大学（USTC）合肥校区的物理学家陆朝阳说：“扩展到数千个原子量子比特的路径是清晰的，并且很可能在两年内实现。”
自旋控制
其他量子比特技术仍处于起步阶段，但正在稳步发展。一种方法是将信息编码在被电场捕获在传统半导体（如硅）中的单个电子的自旋中。去年，Vandersypen和他的合作者展示了一台完全工作的此类六量子比特机器2。与光学镊子的情况一样，电子自旋可以在设备周围移动，以便根据需要将它们移动到其他电子自旋旁边。但与其他类型的量子比特一样，一个主要困难是防止自旋在不应该相互影响时相互影响，物理学家称之为串扰。
基于半导体的量子比特的优势在于能够在与当前计算机芯片相同的工厂中制造芯片，尽管由澳大利亚悉尼新南威尔士大学的物理学家Michelle Simmons领导的一个团队使用自动化扫描隧道显微镜的尖端逐个原子地组装器件。“一切都以亚纳米精度进行图案化，”她说。
还有另一种方法仍处于概念阶段，但它已获得大量投资，尤其是来自微软的投资。该技术旨在利用“拓扑态”使量子比特对退化具有鲁棒性，就像一根打结的绳子，可以扭曲和拉伸，但不会解开。2020年，研究人员观察到了一种拓扑保护的基本物理机制，他们现在正在努力演示第一个拓扑量子比特。
“今天追求的每个平台都有一些希望，但开发它可能需要你无法预测的真正新颖的想法，”Vandersypen说。在中国科学技术大学（USTC）从事多种量子计算方法研究的物理学家潘建伟对此表示赞同。当谈到开发量子计算机的竞赛时，“现在说哪个候选者会获胜还为时过早”。
本文经许可转载，最初于2023年2月6日发布。