如果你相信那些宣传，量子计算机有望彻底改变世界。科学家们希望，这项新兴技术的未来版本能够使制药公司在数周而不是数年内发现新药，或者使政府能够计算出如何养活世界不断增长的人口的后勤。科技巨头、初创公司和大学实验室正在竞相制造更大、更好的量子计算机。但到目前为止，还没有人最终实现“量子优势”——即量子计算机可以解决经典计算机无法解决的问题的临界点。量子计算的关键要素是量子比特，不同的团队正在押注不同的量子比特，以使量子计算机发挥出强大性能。
一个完整的量子计算系统可能像一个双车车库那么大，如果考虑到平稳运行所需的所有设备。但是，由量子比特组成的整个处理单元几乎无法覆盖你的指尖。
今天的智能手机、笔记本电脑和超级计算机包含数十亿个微小的电子处理元件，称为晶体管，它们要么开启，要么关闭，分别表示 1 或 0，这是计算机用来表达和计算所有信息的二进制语言。量子比特本质上是量子晶体管。它们可以存在于两种明确定义的状态中——比如，向上和向下——这代表了 1 和 0。但它们也可以同时占据这两种状态，这增加了它们的计算能力。并且两个——或更多——量子比特可以纠缠在一起，这是一种奇怪的量子现象，即使粒子彼此相隔宇宙，它们的状态也会相互关联。普林斯顿大学的量子物理学家 Nathalie de Leon 说，这种能力彻底改变了计算的执行方式，这也是量子计算机如此强大的部分原因。此外，简单地观察一个量子比特就可以改变它的行为，de Leon 说，这一特性可能会带来更大的量子优势。“量子比特非常奇怪。但我们可以利用这种奇怪性来开发新型算法，这些算法可以完成经典计算机无法完成的事情，”她说。
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科学家们正在尝试各种材料来制造量子比特。它们范围从纳米尺寸的晶体到钻石中的缺陷，再到作为自身反粒子的粒子。每种材料都有优点和缺点。“现在说哪种最好还为时过早，”加州大学戴维斯分校的 Marina Radulaski 说。De Leon 同意。让我们来看一看。
超导量子比特
最常登上头条的量子比特是“超导”量子比特，这是正在开发量子计算机的两家最大的公司 Google 和 IBM 的首选。谷歌最大的正常运行的计算机有 53 个超导量子比特，IBM 的有 433 个，尽管目前数量更多不一定更好。谷歌的量子比特由铝制成；IBM 使用铝和铌的混合物，这两种材料是这种量子比特类型最常用的材料。
超导量子比特通常是一个微小的金属环或线，其行为类似于原子——一种固有的量子物体。量子比特的两种状态对应于这种人造原子的两种能量状态：其最低能量状态，称为基态，以及下一个更高的能量状态。这些状态是使用微波脉冲启动和控制的。
超导量子比特成为早期量子计算的领先者，部分原因是它可以使用现有的制造和操作电子晶体管的技术进行制造和操作。量子比特处理器大约有指甲的厚度那么宽。普林斯顿大学的量子计算工程师 Jeff Thompson 说，小尺寸是关键，因为估计表明，一台改变世界的量子计算机将需要 100 万到 1000 万个量子比特。
虽然超导量子比特体积小且便宜，但操作它们所需的硬件却并非如此。为了表现得像原子一样，超导量子比特必须冷却到绝对零度以上几百分之一度，即零下 273 摄氏度。这样做需要一台稀释制冷机，这台机器比家用冰箱还要大，而且购买和操作成本要高得多。此外，每个量子比特至少需要两根导线和其他硬件。“每个量子比特的成本最终非常高，” Thompson 说。
目前，科学家们只能在一台稀释制冷机中支持数十到数百个超导量子比特，但他们计划达到数千个。对于数百万个连接的量子比特，工程师们除了其他事项外，要么需要建造更大的制冷机（他们正在努力应对这一挑战），要么需要量子连接——即纠缠信号——位于不同制冷机中的超导量子比特阵列，这是一项目前无法实现的壮举。雪城大学的超导量子比特专家 Britton Plourde 说，找到一种将量子信息从一个冷量子比特中取出并放入另一个量子比特中的方法，是这项技术的“圣杯”。“这是一个非常困难的问题。”
离子阱量子比特
超导量子比特的一种流行的替代方案是离子阱量子比特：一种带电原子或分子，其行为类似于微小的条形磁铁。离子的两种状态对应于该磁铁的两种方向，例如向上和向下，并且可以通过用比人类头发还细的激光束照射离子来设置。在过去的几年里，涌现出一些探索这项技术的公司，包括 Alpine Quantum Technologies（拥有一台拥有 24 个量子比特的计算机）、IonQ（拥有 29 个量子比特）和 Quantinuum（拥有 32 个量子比特）。AQT 使用钙离子；其他两家公司使用镱离子。
每家公司的离子阱计算机看起来略有不同，但它们都包含相同的元素：一块硬币大小或更大的计算芯片、一个围绕该芯片的大啤酒罐大小的圆柱形真空室、一些激光器和一个光探测器。芯片容纳离子，并使用其微小印刷电路之间空隙中的电场捕获它们。激光器穿过真空室的窗口，冷却离子并操作量子比特。
离子量子比特周围空间的真空意味着它的状态（0、1 或两者）相对不受破坏状态的空气粒子的影响。因此，与超导量子比特的几百微秒相比，它可以将量子信息保留数分钟到数小时。较长的寿命非常适合量子数据存储，但对于执行复杂的计算来说，这可能会成为问题。这是因为赋予量子比特良好数据存储能力（与环境的低交互）的特性使得难以控制量子比特之间的交互。因此，该系统上的计算需要更长的时间。
离子阱量子比特计算机也存在可扩展性问题。每个芯片最多只能包含几十个离子，而不会使它们之间的相互作用变得过于复杂而无法控制。要达到数百万个量子比特，将需要在模块之间移动离子，这是科学家们尚未可靠实现的壮举。还需要连接多个真空室中的芯片才能达到百万量子比特的目标。
中性原子量子比特
对于所谓的中性原子量子比特，可扩展性问题较小。中性原子量子计算机就像带电原子量子计算机一样，但使用光而不是电力将原子固定到位。为了制造光阱，科学家们将激光穿过位于包含中性原子的腔室上方的透镜。透镜将入射光束分成多个光点，每个光点都可以将一个原子固定到位。其他用于操作量子比特的激光束也会发生相同的分裂。
科学家们已经创建了由 2 到 1,000 个中性原子量子比特组成的阵列，QuEra 拥有一台包含 256 个中性铷原子的量子计算机，铷原子是一种常见的原子选择。Thompson 说，下一代透镜和激光器可能会将这个数字提高到 10,000 或更多。“添加量子比特只需要将激光分成更多光束，这简化了扩展，”他说。中性原子量子比特也具有相当长的寿命，可以将其信息保留数十秒。
中性原子量子比特没有成为量子计算机竞赛领跑者的原因之一是速度。到目前为止，它们每秒可以执行几次计算——与离子阱量子计算机相当，但比超导量子比特系统慢 1000 多倍。尽管制造中性原子量子比特很容易，但操作起来却很麻烦。执行复杂的计算需要用精确计时的激光脉冲序列照射原子；研究人员尚未弄清楚如何高效快速地操作超过少量中性原子量子比特。一旦他们做到了——Thompson 相信他们会做到——中性原子可能会在计算能力上超过超导量子比特，抢占头条新闻。“我认为这个转折点很快就会到来，除非发生任何不可预见的事件，” Thompson 说。
英格兰埃克塞特大学的量子物理学家 Luca Dellantonio 说，即使取得了这样的突破，能够可靠地执行经典计算机无法完成的计算的系统仍然遥遥无期。Dellantonio 开发在量子硬件上运行的算法。事实证明，操作量子比特只是挑战中“容易”的部分。“困难”的部分是纠正量子计算进行过程中出现的错误，这种情况发生的频率远高于经典系统。当量子比特的状态受到用于运行计算机的那些影响之外的某些影响而改变时，就会发生错误。“真的可能是任何东西，” Dellantonio 说。该因素可能是热量、来自太空的辐射，或者世界另一端有人打喷嚏引起的喷嚏。“构建量子计算机的问题比科学家倾向于承认的要困难得多，”他补充道。“它会发生的，只是没有人们想象的那么快。”