离子阱 VS 超导：量子计算机哪家强？

Daphane · 发表于 2021-2-17 22:59:13

来源： Nature Portfolio

在打造商用量子计算机的赛场上，离子阱系统正蓄势待发。　　一项一直以来被视为二军的量子计算机制造技术正在翻身。量子计算在过去十年里从学术研究对象变成了大公司青睐的项目，而大家的目光都聚焦在同一个方法上：微型的超导线圈。包括IBM和英特尔（Intel）在内的科技巨头都选择了这个方案。谷歌（Google）2019年推出了一台超导计算机，并宣称它实现了“量子优越性”：首次执行了一项经典计算机做不到的计算。不过，在通向商业量子计算机的道路上，另外一项技术正蓄势待发：用电场囚禁离子。

霍尼韦尔量子计算机的一个离子阱。来源：Honeywell Quantum Solutions

　　2020年初，科技制造企业霍尼韦尔（Honeywell）在十多年的默默研发后，首次推出了一台用离子阱作为量子比特（qubit）基础的量子计算机。总部位于美国北卡罗莱纳州的霍尼韦尔是全球首个尝试这一路线的公司。10月，也就是开发成功之后的7个月，霍尼韦尔展示了一台升级版的计算机，并已计划好如何扩大其规模。
　　不久前，马里兰大学的衍生公司IonQ公布了一台离子阱计算机，或能达到IBM与谷歌的计算机的水平，不过IonQ尚未公开其运算能力的细节。更小的一些初创公司——例如英国的Universal量子公司和奥地利的Alpine量子技术公司——也在为离子阱项目吸引资金。
　　离子阱量子计算机并不是新技术：1995年[1]的第一个基本量子线圈里面的量子比特就是基于这项技术，这可比超导线圈早多了。但是将它组装成可行的商用系统“似乎现在才开始井喷”，美国国家标准技术研究所（NIST）的量子物理学家Daniel Slichter说。

霍尼韦尔真空室中的离子阱。来源：Honeywell Quantum Solutions

　　“人们现在会在同一句话里面说出‘超导’和‘离子阱’，而哪怕五年前都不会有人这么说。”马里兰大学的物理学家Chris Monroe说。他参与过1995年的实验，同时也是IonQ的创始人之一。量子计算尚处襁褓之中，虽然各大公司都竞相宣称自己的量子计算机是最先进的（参见“谁的最强？”），但现在探讨哪种硬件会最终胜出仍然为时过早——甚至到最后也不一定会有压倒性的胜利者。各大公司所用技术的多样性让量子计算领域变得比以前更宽了。
　　大规模计算
　　经典计算机用1和0储存信息，而量子比特处于1和0的某种微妙的纠缠态。通过量子现象和量子纠缠，多个量子比特的状态可以互相关联。由于量子比特的量子态之间可以进行波动型的干涉，因此量子计算机在执行某些大规模计算时，可以达到比最好的经典计算机快指数级的倍率。其中的一个应用就是质因数分解。
　　任何有着两个可能的量子态的系统——例如超导线圈中的振荡或是离子的能级——就可以构成一个量子比特，但是所有硬件实现都有其利弊，并且在组成完整的量子计算机前会遇到一些根本性的难题。能够让量子计算体现出预期优势的计算机需要——用质因数分解举例的话——几百万个可以单独操控的量子比特。而数量并不是唯一的问题：量子比特的质量和量子比特间如何连接同样重要。
　　微妙的量子比特及其运算会因噪声而出错，相连的量子比特越多出错概率越大。如果想要几百万个量子比特一起计算，那么每个量子比特的错误率都必须小到足以通过“纠错”流程来检测和修复。不过，物理学家也希望有一定噪声的较小系统能在近期投入实用。
　　谁的最强？
　　各大实验室已经为谁能做出量子比特数最多的量子计算机竞争很久了。但是，比赛谁家的计算机“最强大”意义不大，赫尔辛基大学的量子物理学家Sabrina Maniscalco说，“衡量表现的标准有很多。”
　　2020年6月，美国技术公司霍尼韦尔宣称造出了世界上在“量子体积”（quantum volume）上最强大的量子计算机。这么说是考虑了系统的量子比特数、连通性、噪声和错误率，这也体现了计算机能够应付多复杂的问题。这台计算机的量子体积是64，比当时IBM最强的计算机多了一倍。量子体积比单纯的量子比特数更适合用来比较，但仍然是比较粗的评价标准，Maniscalco说。
　　头对头比较是另一种比较计算机之间相对强度的方法，但这种方法也不是所有时候都好用，因为计算机的表现取决于问题本身，美国国家科学基金会的计算机科学学部负责人Margaret Martonosi说。如果不知道关键的特性在增大规模时会如何变化，那么原型机的表现就无法体现完整计算机的能力。
　　不论使用哪个评价标准，公司都应当在宣传时慎之又慎，住在加利福尼亚州的计算机科学家Doug Finke说。他运营着一家追踪业界新闻的网站，该网站名为“量子计算报告”（Quantum Computing Report）。霍尼韦尔所谓自己的计算机最强的说法并不成熟，因为使用量子体积的开发者并不多，他说。此外，就在10月，马里兰大学相关的IonQ首次正式使用了这一标准，并且他们说最新的计算机预期会有400万的量子体积。如果证据确凿，就会打破霍尼韦尔的记录。
　　另一个衡量量子计算机能力的标准是能否在特定问题上战胜经典计算机——2019年谷歌用一台54个量子比特的计算机实现了这个超越。对Finke来说，在一个有商业价值的问题上实现这种“量子优越性”才是“评价量子计算机是否成功的真正标准”。
　　有利有弊
　　在过去的几年里，超导线圈技术突飞猛进，险些就要把离子阱技术打入冷宫。谷歌和IBM等公司已经开发出了大约50多个高质量量子比特的计算机。IBM的目标是在2023年拥有一台1000个量子比特的计算机。加州大学圣巴巴拉分校的量子物理学家John Martinis在2020年4月前一直是谷歌量子硬件部门的负责人，他认为谷歌会继续使用实现量子优越性的计算机基本架构来完成下一个里程碑：量子纠错。
　　至今为止，超导量子比特的优势在于很多公司都很熟悉，因为其基本元件与经典芯片技术相容。但是离子阱的量子比特——通过电场囚禁的单个带电原子的能级储存信息——有很多内在的优势，赫尔辛基大学的Sabrina Maniscalco说。它们的运算更不容易出错，并且单个离子的量子态会比超导量子比特的持续时间要长。毕竟超导线圈再小也是由很多个原子构成的。此外，超导量子比特容易只和最近的邻居互动，而离子阱可以和很多个其他离子互动，这就让执行复杂计算变得更加容易了，她说。
　　但是离子阱也有其问题：离子之间的交互比超导量子比特要慢，而这在处理系统中产生的实时误差上影响很大，美国量子软件公司Turing的创始人Michele Reilly说。此外，一个阱里能容纳多少离子并让它们互相关联也有上限。IonQ最新的模型中包含了32个离子，排成一条链；用激光摘出其中任何两个都能让它们互相关联。为了让规模扩大到几百个量子比特，IonQ正在尝试用光子连接数个这样的离子链。IonQ的目标是每年让量子比特数加倍。

霍尼韦尔量子计算机的控制室。来源：Honeywell Quantum Solutions

　　与此同时，霍尼韦尔的计划是让离子在一个巨大的芯片上穿梭移动[2]，以便让所有离子互相关联起来——这个想法最早是NIST在上世纪90年代提出的。霍尼韦尔量子解决方案（HQS）部门最新的系统叫做H1，只包含10个量子比特，但是部门的首席科学家Patty Lee说该公司正在打造下一个版本。在接下来的五年里，团队的计划是将大约20个量子比特关联起来，这应当足以让他们的计算机解决一些经典计算机望尘莫及的问题，HQS总裁Tony Uttley说。
主要的挑战在于同时控制几十个甚至上百个量子比特，并保证其质量和精确度——霍尼韦尔和IonQ尚未证明自己有能力做到这件事。虽然很多必需的元件都已经成熟，但是“还需要系统层面上的集成方案：组装，测试，并解决问题。”荷兰代尔夫特理工大学的理论物理学家Barbara Terhal说。
　　胜者仍未决出
　　离子阱计算机并不是唯一一种能吸引到大量投资的技术。超导量子比特的成功为很多技术打开了大门，Slichter说。这之中包括了硅基自旋量子比特，即使用硅晶体内嵌的原子的核自旋态储存量子信息。为了尝试这一技术，Martinis利用6个月的学术休假于9月加入了澳大利亚的硅量子计算公司——这是他在近二十年之后首次尝试超导系统之外的技术。Martinis并不介意哪种技术最终会胜出。“我希望能为第一台量子计算机的建造做出贡献，但并不强求是我或是我所在的公司建造的。”他说。
　　竞赛还远远没到宣布胜利的时刻，Maniscalco说，可能永远也无法决出胜利者。“可能并不会是某一个平台获胜，或许会出现某种融合技术，或是适用不同问题的不同平台。”

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