“在大约10年前，量子计算似乎还只是一桩有趣的实验室概念。不过从那时起，一个关于量子计算的完整全球化生态系统就开始形成了。”这是法国量子计算初创公司Alice & Bob的产品经理洛朗·普罗斯特(Laurent Prost)的印象。
任职于微软的量子计算专家克里斯塔·斯沃雷(Krysta Svore)则言简意赅：“量子计算机正在做事。”
那么，是做什么事呢？就实际应用而言，量子计算机仍相当受限，至少目前来看，它无法解决传统计算机解决不了的问题。想要堪当大任，它必须拥有足够大的规模，以运行足够复杂的计算，并且做到犯足够少的错误，以确保其计算足够有意义。但这两方面的追求是相互矛盾的：向设备添加更多量子比特(量子计算机的基本单位)通常会导致更多错误。
为解决上述问题，研究人员开始用物理量子比特组出“逻辑量子比特”，后者擅长在错误发生时捕捉和修复错误。斯沃雷指出：“你要能检测错误、纠正错误，并保证能在计算过程中完成这些事。”
因此，打造真正实用的量子计算机的基本途径，是构建一个具备尽可能多的逻辑量子比特的设备。不过现实中，大家选择的具体路线和方法各不相同。
打造实用量子计算机的竞赛已经开始
美国初创公司Atom Computing做出了迄今为止最大的量子计算机。该设备有1180个量子比特，它们由超冷中性镱原子组成。
另一家来自法国的初创公司Pasqal近期报告称，其在量子计算处理器中组装了1110个原子，但并未将它们用于计算。
另一方面，中国科学技术大学的研究小组发现，人工智能可用于使这种组装更加快速和简便。
Atom Computing的创始人兼CEO本·布卢姆(Ben Bloom)表示：“我们取得了惊人的进展，已经从‘能否建立一个系统？’的阶段发展至‘能否将其建设得更好？’。我认为中性原子占主导地位。”
不过光有原子数量可能不够。正如英伟达的量子计算市场经理尼古拉斯·哈里根(Nicholas Harrigan)所言：“打造实用的量子计算机不仅仅要求你更好地构建量子比特。”英伟达没有自己做量子计算硬件，而选择与别人合作。
传统计算机行业的其他巨头也持类似思路。例如微软就在2024年与Atom Computing合作，通过量子纠缠创建了24个逻辑量子比特，这是迈向实用设备的必要第一步。
当然，要比数量的话，致力于用中性原子构建量子计算机的初创企业QuEra更胜一筹，其设备一度以48个逻辑量子比特领先全行业。而目前拥有最多逻辑量子比特的计算机来自英国初创公司Quantinuum——成功实现50个逻辑量子比特的纠缠。
公司CEO拉吉布·哈兹拉(Rajeeb Hazra)表示，今年晚些时候，他们将推出一款新的量子计算机，其编码信息量会比已创纪录的机器多一万亿倍。
灵活性是王道
Quantinuum使用由电磁场束缚的带电镱离子，而非中性原子。
牛津大学衍生公司Oxford Ionics和美国IonQ等公司也在研究这些“束缚离子”量子比特。
IonQ的量子工程师约翰·甘布尔(John Gamble)表示，这类硬件的一个优势是能轻松切换量子比特间的连接，因此更适合忠实地执行许多不同算法，包括以不同方式将物理量子比特连接到逻辑量子比特从而进行纠错。“现在灵活性和多功能性是王道。”
作为量子计算行业的引领者，谷歌早在2019年便率先宣称取得“量子霸权”，因为其量子计算机能运行传统机器永远做不到的计算。(此说法后来受到质疑。)
到了2024年，谷歌再次“秀肌肉”，推出一款名为Willow的新芯片。据称，Willow芯片能于5分钟内完成一项特定计算任务，相比之下，全球最顶尖的传统超级计算机需要大约1025年。（详见：谷歌Willow量子芯片破解量子计算30年难题）
谷歌和IBM都使用微型超导电路来制造量子比特。这种电路有其优势：一方面，它们能比原子和离子电路更快地执行计算；另一方面，它们往往更加可靠。由中性原子实现的一些量子比特总存在脱离其精确校准、激光控制的量子态的风险。
但具备上述优势似乎不足以称雄。超导量子比特是原位连接的，且只能与最近的邻居轻松连接，这就决定了，新近开发的几种纠错算法更难实现，进一步试验这些代码的工作也更难开展。
布卢姆表示他曾研究过其他类型的量子计算机，但后来将重点转向中性原子量子比特，因为它们似乎为该领域的根本性挑战提供了更多解决方案。超导方法曾是业界宠儿，但眼下可能失去方向。
当然，这并不是说谷歌的努力都白费了。正如已经证明的，在Willow芯片的逻辑量子比特中添加更多物理量子比特，可提高其纠错能力，而这是制造大型量子计算机的关键一步。
扩大规模
IBM研发的Condor量子处理器只比Atom Computing创纪录的机器少了59个量子比特。此外，他们有望于2026年推出突破4000量子比特的设备。为了这个目标，IBM正努力开发量子计算机组件，力求能将现有设备连接到更大更强的机器中。该公司认为，这也将使他们能比谷歌等直接竞争对手实现更多纠错码。
美国量子集成电路开发商Rigetti Computing的首席技术官大卫·里瓦斯(David Rivas)同样专注于超导量子比特研究。在他看来，超导量子计算机没走人死胡同。就目前而言，这类的设备有其价值。Rigetti Computing推出过9量子比特芯片，以及更大规模的84量子比特处理器。里瓦斯表示，公司已向政府实验室和商业企业出售量子计算机，主要用于进一步探索该技术。
前文提到的Alice & Bob公司也使用超导元件制造量子比特，但其基本设计有所不同，优先考虑在创建逻辑量子比特之前进行错误抑制。正因如此，该公司的研发团队相信，他们能用数以千计的量子比特实现完全无错误的量子计算，而竞争对手可能需要构建数以百万计的量子比特。Alice & Bob尚未演示任何逻辑量子比特，但计划在2030年之前拥有一台真正有用的量子计算机。
美国量子计算初创公司PsiQuantum的计划似乎最具野心。他们已放弃对多量子比特设备的演示和实验，而计划于2027年推出一台大规模、类似超级计算机的量子计算机，机器的量子比特将由光子构成。研发团队专注于将传统复杂的组件(如控制光子的激光器和透镜)集成到可轻松实现工业规模生产的半导体芯片上。
其他聚焦光子的量子计算企业选择了更传统的路线。2021年，加拿大的Xanadu公司展示了一款可执行多种算法的光子量子计算芯片，法国的Quandela已在销售一款采用模块化设计的12量子比特设备。
有如此多平台竞逐于量子比特赛场，谁能成为领头羊？
作为行业的长期观察者，加州理工学院的理论物理学家约翰·普雷斯基尔(John Preskill)暂时更看好中性原子路线。他认为，我们更有望制备大量原子并以适合量子算法的方式连接它们，因此它们未来可期。
“中性原子量子计算机用几万个量子比特就能做到的事，超导量子计算机可能需要数十万个量子比特才干得明白。”
若向更远处看，最理想的量子比特或许应当是我们看不见的那种，未来的工程师能将量子计算视作比肩传统超级计算或人工智能的另一种重要计算资源，而非仍需思索其硬件细节的奇工异器。
布鲁姆说道：“我希望最终的景象是，物理量子比特不再被任何人琢磨，而量子计算机能解决真正影响生活的大问题。”
资料来源：
Quantum computers have finally arrived, but will they ever be useful?
END
