量子計(jì)算戰(zhàn)爭(zhēng)：一場(chǎng)國(guó)家實(shí)力和技術(shù)路線(xiàn)的雙重對(duì)抗

量子計(jì)算處于國(guó)家計(jì)劃的前沿，這一領(lǐng)域已宣布超 200 億美元投資。

編者按：在人類(lèi)計(jì)算技術(shù)的飛速發(fā)展中，量子計(jì)算越來(lái)越受到重視。實(shí)際上，它不僅僅是相關(guān)企業(yè)保持其核心競(jìng)爭(zhēng)力和前沿技術(shù)能力的重要領(lǐng)域，也是國(guó)家之間相互競(jìng)爭(zhēng)的重要科技領(lǐng)地；目前在這個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)出現(xiàn)了不少選手，它們都實(shí)力強(qiáng)勁，且選擇了不同的技術(shù)路線(xiàn)，形成了蔚為大觀的 "量子計(jì)算戰(zhàn)爭(zhēng)"。圍繞這一話(huà)題，外媒作者 MARK LAPEDUS 進(jìn)行了全面而深入的解讀，雷鋒網(wǎng)對(duì)本文進(jìn)行了不改變?cè)獾木幾g。

量子計(jì)算正在升溫，越來(lái)越多的企業(yè)競(jìng)相對(duì)量子計(jì)算技術(shù)進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試、鞏固，意在將其商業(yè)化。

截至 2021 年 7 月，一個(gè)來(lái)自中國(guó)的團(tuán)隊(duì)在原始性能方面似乎已經(jīng)處于領(lǐng)先地位，谷歌、IBM、英特爾和其他量子計(jì)算機(jī)開(kāi)發(fā)商也不甘落后，且已經(jīng)研發(fā)出第一波量子計(jì)算機(jī)。

不過(guò)，所有這些都可能在一夜之間改變，這些系統(tǒng)仍處于發(fā)展初期，尚未運(yùn)行任何有用的商業(yè)應(yīng)用——宣布量子計(jì)算的贏家，還為時(shí)過(guò)早。

1、了不起的量子計(jì)算

到目前為止，量子計(jì)算確實(shí)取得了顯著進(jìn)展，并同超級(jí)計(jì)算機(jī)區(qū)分開(kāi)來(lái)。

在經(jīng)典計(jì)算中，信息以位存儲(chǔ)，可以是“0”或“1”。在量子計(jì)算中，信息存儲(chǔ)在量子位或量子比特（Quantum bits, or Qubits）中，可以以“0”或“1”或兩者的組合形式存在，疊加態(tài)使量子計(jì)算機(jī)能夠一次執(zhí)行多項(xiàng)計(jì)算，使其性能優(yōu)于傳統(tǒng)系統(tǒng)。

不過(guò)這項(xiàng)技術(shù)面臨著許多挑戰(zhàn)，許多行業(yè)專(zhuān)家認(rèn)為：這些系統(tǒng)距離實(shí)用還有十年的時(shí)間。

然而，這并沒(méi)有讓公司、政府、研發(fā)組織和大學(xué)放棄相關(guān)技術(shù)的研發(fā)，它們依舊向這個(gè)領(lǐng)域投入數(shù)十億美元。如果這些技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)，可以加速新化學(xué)、藥物和材料的開(kāi)發(fā)，還可以破解任何加密系統(tǒng)，能夠?yàn)楣竞蛧?guó)家提供競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

因此，研發(fā)量子計(jì)算技術(shù)成為許多國(guó)家科技發(fā)展的重中之重。

“量子計(jì)算處于國(guó)家計(jì)劃的前沿，” FormFactor 高級(jí)副總裁 Amy Leong 說(shuō)。“這一領(lǐng)域已經(jīng)宣布了超過(guò) 200 億美元的投資，涉及 15 個(gè)國(guó)家或地區(qū)。像美國(guó)和中國(guó)這樣的地緣政治強(qiáng)國(guó)，肯定在爭(zhēng)奪量子霸權(quán)的競(jìng)賽中處于領(lǐng)先地位，其次是來(lái)自歐洲和亞洲的許多其他國(guó)家。”

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) (USTC) 于 2021 年 6 月取得了重大進(jìn)展，展示了研究人員聲稱(chēng)的世界上最快的量子計(jì)算處理器，超過(guò)了自 2019 年以來(lái)谷歌 53 量子位設(shè)備保持的非官方記錄。中國(guó)科技大學(xué)的 66-量子位處理器在 1.2 小時(shí)內(nèi)完成了一項(xiàng)復(fù)雜的計(jì)算——如果采用如今的超級(jí)計(jì)算機(jī)，這項(xiàng)計(jì)算需要 8 年才能完成。

“當(dāng)我查看第一批應(yīng)用時(shí)，我意識(shí)到我們需要數(shù)千個(gè)甚至十萬(wàn)個(gè)量子位來(lái)做一些有用的事情。”英特爾量子硬件總監(jiān)詹姆斯克拉克（James Clarke）說(shuō)：“我們今天達(dá)到了 50 到 60 個(gè)量子位，還需要更多時(shí)間才能達(dá)到 100 萬(wàn)個(gè)量子比特——而這對(duì)于密碼學(xué)來(lái)說(shuō)，是非常必要的。”

與此同時(shí)，量子技術(shù)還有多個(gè)分支陣營(yíng)。

實(shí)際上，廠商們正在開(kāi)發(fā)基于一系列技術(shù)的十幾種量子位，例如超導(dǎo)（Superconducting qubits）、離子阱（Ion traps）和硅自旋（Silicon qubits），每個(gè)陣營(yíng)的廠商都聲稱(chēng)它們的技術(shù)是卓越的，并將實(shí)現(xiàn)實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)。

根據(jù) Hyperion Research 的數(shù)據(jù)，量子計(jì)算機(jī)的市場(chǎng)預(yù)計(jì)將從 2020 年的 3.2 億美元增長(zhǎng)到 2024 年的 8.3 億美元。

2、超越經(jīng)典計(jì)算但無(wú)法替代

從歷史的發(fā)展進(jìn)程來(lái)看，計(jì)算領(lǐng)域取得了巨大進(jìn)步。

1945 年，賓夕法尼亞大學(xué)開(kāi)發(fā)出第一臺(tái)通用電子數(shù)字計(jì)算機(jī) ENIAC，它使用真空管控制電子來(lái)處理數(shù)據(jù)，每秒可執(zhí)行 5000 次加法計(jì)算。

1947 年，晶體管的出現(xiàn)改變了一切；從 20 世紀(jì) 50 年代開(kāi)始，晶體管取代了許多系統(tǒng)中的真空管，計(jì)算機(jī)速度更快。

1964 年，現(xiàn)已解散的 Control Data 公司推出了 CDC 6600，這是世界上第一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)——CDC 6600 以晶體管為基礎(chǔ)，集成了一個(gè)具有 2 MIPS（ Million Instructions Per Second） 性能的 60 位處理器。

發(fā)展到今天，智能手機(jī)比早期的計(jì)算機(jī)更快。以 iPhone 12 為例，它采用了基于臺(tái)積電 5nm 工藝的 A14 處理器，A14 包含 118 億個(gè)晶體管，具有 6 核 CPU 和 16 核神經(jīng)引擎，每秒可進(jìn)行 11 萬(wàn)億次操作。

在高性能計(jì)算方面，來(lái)自日本的富岳（Fugaku）超級(jí)計(jì)算機(jī)在 2021 年保持了其作為世界上最快超級(jí)計(jì)算機(jī)的地位。富岳由日本理化研究所（Riken） 和日本信息通信技術(shù)企業(yè)富士通（Fujitsu）構(gòu)建，它采用基于 Arm 架構(gòu)的 A64FX 處理器，擁有 7630848 個(gè)內(nèi)核，可實(shí)現(xiàn)每秒 442 petaflops （petaflop 即每秒執(zhí)行 1 千萬(wàn)億次浮點(diǎn)運(yùn)算）的性能。

目前，富岳正處于運(yùn)行狀態(tài)，并被用于各種研究項(xiàng)目。“富岳首次使用了在大型服務(wù)器的通用 CPU 中所應(yīng)用的技術(shù)，例如 7nm 工藝技術(shù)、封裝集成 HBM2、TB 級(jí)流媒體功能和片上嵌入式高性能網(wǎng)絡(luò)，”Riken 計(jì)算科學(xué)中心主任 Satoshi Matsuoka 在 2021 年 VLSI 技術(shù)和電路研討會(huì)上的一篇論文中寫(xiě)道。

“我們已經(jīng)進(jìn)入千萬(wàn)億次浮點(diǎn)運(yùn)算的時(shí)代，”美國(guó)光刻工具公司 D2S 首席執(zhí)行官 Aki Fujimura 說(shuō)。“全球有許多研究計(jì)算機(jī)正在接近百億億次計(jì)算（1000 petaflops）。十年之后，我們將擁有許多百億億浮點(diǎn)運(yùn)算級(jí)別的計(jì)算機(jī)。”

事實(shí)上，業(yè)界需要更多的計(jì)算能力來(lái)解決生物技術(shù)、國(guó)防、材料科學(xué)、醫(yī)學(xué)、物理學(xué)和天氣預(yù)報(bào)方面當(dāng)前和未來(lái)的問(wèn)題。

“我們需要以相同的價(jià)格提供更強(qiáng)的計(jì)算能力，需要解決的問(wèn)題越來(lái)越難，我們?cè)诜?wù)上面臨的問(wèn)題也越來(lái)越多，” Fujimura 說(shuō)。

當(dāng)然，在傳統(tǒng)計(jì)算持續(xù)進(jìn)步的同時(shí)，業(yè)界也積極發(fā)展量子計(jì)算——理論上，這些基于量子計(jì)算的新系統(tǒng)有望超越當(dāng)今的超級(jí)計(jì)算機(jī)，從而加速新技術(shù)的發(fā)展。

在遙遠(yuǎn)的未來(lái)，量子計(jì)算機(jī)有望在合理的時(shí)間內(nèi)破解世界上最復(fù)雜的算法，包括 Shor 這一用于整數(shù)分解問(wèn)題的算法，以及可用于破解廣泛使用的公鑰加密方案 RSA。

量子計(jì)算最早誕生于 1980 年代，多年來(lái)取得了一些重大進(jìn)展：最近，有兩個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了“量子霸權(quán)”，這意味著量子計(jì)算機(jī)可以做經(jīng)典計(jì)算機(jī)不能做的一些事情。

盡管如此，量子計(jì)算仍處于起步階段，一方面量子計(jì)算系統(tǒng)在不斷進(jìn)化，另一方面，人們也在不斷尋求利用量子計(jì)算系統(tǒng)找到對(duì)應(yīng)的應(yīng)用領(lǐng)域。IBM 量子硬件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)總監(jiān) Jerry Chow 說(shuō)：

當(dāng)今存在的所有系統(tǒng)主要用于探索未來(lái)的量子應(yīng)用，包括用于量子化學(xué)的變分量子算法，以及用于機(jī)器學(xué)習(xí)的量子核估計(jì)方法。從基準(zhǔn)測(cè)試和自身性能表征的角度來(lái)看，今天部署的系統(tǒng)也很有趣，并且能夠理解潛在的噪聲源，以改進(jìn)這些系統(tǒng)的未來(lái)迭代。另一方面是探索量子糾錯(cuò)的概念。

不過(guò)值得注意的是，即使量子計(jì)算機(jī)釋放了潛力，它們也不會(huì)取代今天的計(jì)算機(jī)。“對(duì)于某些類(lèi)型的計(jì)算問(wèn)題，量子計(jì)算顯然是一項(xiàng)重要的未來(lái)技術(shù)。素?cái)?shù)分解是眾所周知的另一項(xiàng)量子計(jì)算遠(yuǎn)優(yōu)于經(jīng)典計(jì)算的運(yùn)算，”D2S 的 Fujimura 說(shuō)。“在某種程度上，量子計(jì)算是經(jīng)典計(jì)算的增強(qiáng)版。在更大范圍內(nèi)，量子計(jì)算不會(huì)取代經(jīng)典計(jì)算，經(jīng)典計(jì)算更適合我們需要計(jì)算的許多任務(wù)。”

今天的量子計(jì)算機(jī)與眾不同，類(lèi)似于巨大的枝形吊燈；這些系統(tǒng)安裝在稀釋冰箱中，能夠保護(hù)處理器和其他部件免受外部噪音和熱量的影響。該裝置將設(shè)備冷卻到 10 至 15 毫開(kāi)爾文之間。

IBM 的 Quantum System One 系列量子計(jì)算機(jī)，圖片源自 IBM

量子處理器就是一個(gè)量子系統(tǒng)，該處理器包含一些量子位。這些量子位有兩種配置，一個(gè)量子位門(mén)和兩個(gè)量子位門(mén)。假設(shè)有一個(gè)具有 16 個(gè)量子位的量子處理器，量子位排列在二維 4 X 4 陣列中。前三行（從上到下）可能由一個(gè)量子位門(mén)組成，最后一行可能有兩個(gè)量子位門(mén)。

在經(jīng)典計(jì)算中，將一個(gè)數(shù)字輸入計(jì)算機(jī)，經(jīng)過(guò)計(jì)算函數(shù)就會(huì)有一個(gè)數(shù)字輸出。但在量子計(jì)算機(jī)中，處理功能十分復(fù)雜。

研究人員在英特爾實(shí)驗(yàn)室調(diào)整稀釋冰箱，圖片源自英特爾

“如果你有 'n' 位，你就有 2 的 n 次方的數(shù)據(jù)量。這是數(shù)量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的狀態(tài)，一次只能處理一個(gè)狀態(tài)。因此，它是指數(shù)時(shí)間或空間指數(shù)，”麻省理工學(xué)院 (MIT) 教授威廉奧利弗在視頻演示中解釋道。“另一方面，量子計(jì)算機(jī)可以將這 2 的 n 次方個(gè)不同的組件同時(shí)放入一個(gè)疊加態(tài)。這就是我們?cè)诹孔佑?jì)算機(jī)中看到的指數(shù)級(jí)加速的基礎(chǔ)。”

量子計(jì)算機(jī)還有其他優(yōu)點(diǎn)。“為了使量子計(jì)算機(jī)的能力加倍，你只需要增加一個(gè)量子比特。它是指數(shù)級(jí)的。為了讓量子計(jì)算機(jī)在摩爾定律方面跟上經(jīng)典計(jì)算機(jī)，他們只需要每 24 個(gè)月增加一個(gè)量子比特，”Moor Insights & Strategy 的分析師 Paul Smith-Goodson 說(shuō)。

不過(guò)，上述情況都處于理想狀態(tài)下；實(shí)際操作中，存在一些阻礙量子計(jì)算發(fā)揮其全部潛力的因素。

據(jù) IBM 稱(chēng)，由于噪聲，量子比特通常會(huì)在 100 微秒內(nèi)失去其特性。這就是為什么量子比特必須在極冷的環(huán)境中運(yùn)行。“量子比特對(duì)它們的環(huán)境非常敏感，”美國(guó)晶圓探針公司 FormFactor 的 Leong 說(shuō)。“在非常寒冷或低溫的環(huán)境中使量子比特環(huán)境安靜是至關(guān)重要的。”

此外，噪聲還會(huì)導(dǎo)致量子比特出錯(cuò)，正因如此，量子計(jì)算機(jī)需要糾錯(cuò)。

最重要的是，業(yè)界需要擴(kuò)展具有數(shù)千個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)，目前的狀態(tài)與這個(gè)數(shù)字相差甚遠(yuǎn)。

總而言之，量子計(jì)算需要一些突破。“對(duì)于整個(gè)領(lǐng)域，我們需要讓量子比特比我們今天制造的更好，”英特爾的克拉克說(shuō)。“對(duì)我來(lái)說(shuō)，最大的挑戰(zhàn)是如何連接它們。每個(gè)量子比特都需要自己的電線(xiàn)和控制箱。在 50 或 60 個(gè)量子比特狀態(tài)下，有效控制較容易，但數(shù)量達(dá)到一百萬(wàn)個(gè)時(shí)，就不能很好地工作。”

制造高良率的量子比特也很關(guān)鍵，Onto Innovation 和其他公司正在圍繞該技術(shù)開(kāi)發(fā)計(jì)量控制系統(tǒng)。

“現(xiàn)在，我們已經(jīng)對(duì)一些晶圓或試樣進(jìn)行了測(cè)量，"Onto 高級(jí)副總裁 Kevin Heidrich 表示：“量子領(lǐng)域大多數(shù)基礎(chǔ)技術(shù)背后的關(guān)鍵是利用為經(jīng)典計(jì)算開(kāi)發(fā)的制造技術(shù)。然而，許多人正在調(diào)整設(shè)備、設(shè)計(jì)和集成，以啟用量子/量子位設(shè)備。我們的主要工作是使精確和特征化的設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)各種形式的量子計(jì)算，例如光子或自旋量子位。我們的重點(diǎn)是提供計(jì)量解決方案，使我們的開(kāi)發(fā)合作伙伴能夠最好地描述其早期設(shè)備的特性，包括精確的側(cè)壁控制、材料厚度和接口質(zhì)量等。”

3、超導(dǎo)量子比特進(jìn)展最大，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)領(lǐng)跑

根據(jù)《量子計(jì)算報(bào)告》（the Quantum Computing Report），如今有 98 個(gè)單位在研究量子計(jì)算機(jī)或量子位，其中，企業(yè)正在開(kāi)發(fā)的量子位類(lèi)型包括離子阱（Ion trap）、中性原子（Neutral Atoms）、光子學(xué)( photonics)、硅自旋（Silicon Spin）、超導(dǎo)和拓?fù)? topological)。

值得一提的是，以上每種類(lèi)型都有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，現(xiàn)在比較哪種技術(shù)更好，還為時(shí)過(guò)早。

“我們真的不知道哪種技術(shù)將成為構(gòu)建大規(guī)模容錯(cuò)機(jī)器計(jì)劃的正確技術(shù)。一些公司有五年路線(xiàn)圖，可以讓他們擁有足夠的量子位來(lái)做一些真正有意義的事情。” 來(lái)自分析機(jī)構(gòu) Moor Insights & Strategy 的 Smith Goodson 說(shuō)：“在安裝基數(shù)上，IBM 擁有大量機(jī)器，它有超過(guò) 20 臺(tái)的量子計(jì)算機(jī)，且沒(méi)有人能與之匹敵。它圍繞著這些量子計(jì)算機(jī)建立了一個(gè)龐大的生態(tài)系統(tǒng)，很多大學(xué)與公司都與其進(jìn)行合作。”

到目前為止，超導(dǎo)量子位取得的進(jìn)展最大。在這一類(lèi)別中，D-Wave 公司通過(guò)使用量子退火（quantum annealing,一種解決優(yōu)化問(wèn)題的技術(shù)）獲得了關(guān)注。例如，如果你遇到一個(gè)組合型問(wèn)題，量子退火系統(tǒng)可以從眾多組合中搜尋到最佳的那一個(gè)——目前這些能力已經(jīng)在某種程度上得以證明。

大部分真正在量子計(jì)算機(jī)市場(chǎng)上活躍的，是超級(jí)計(jì)算量子比特。Google、IBM、Intel、MIT、Rigetti、USTC 和許多其他公司都在這一領(lǐng)域開(kāi)發(fā)產(chǎn)品。

超導(dǎo)量子位圍繞約瑟夫森結(jié)（ Josephson junction）構(gòu)建，約瑟夫森結(jié)又被稱(chēng)為超導(dǎo)隧道結(jié)，通常是由兩個(gè)超導(dǎo)體構(gòu)成，被一個(gè)非常薄的非超導(dǎo)電層隔開(kāi)，在操作中，電子會(huì)配對(duì)并穿過(guò)約瑟夫森結(jié)。

2014 年，IBM 展示了一個(gè) 3 比特的設(shè)備；到今天，IBM 出售的量子計(jì)算機(jī)已經(jīng)達(dá)到 65 比特。最新的量子計(jì)算報(bào)告顯示，在超導(dǎo)領(lǐng)域 IBM 的整體量子比特?cái)?shù)仍處于行業(yè)領(lǐng)先地位。

而在非正式排名中，第一位由中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)保持，有 66 個(gè)量子比特；IBM 緊隨其后，擁有 65 個(gè)量子位，其次是谷歌，擁有 53 個(gè)量子位，英特爾（49）和 Rigetti（32）。

當(dāng)然，量子比特?cái)?shù)并不是構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)的唯一要素 ，還必須具有相對(duì)較長(zhǎng)的相干時(shí)間（coherence times）和門(mén)控保真度（gate fidelities）。“量子比特和量子處理器是量子硬件的核心部分，”IBM 的 Chow 說(shuō)。“要構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)或量子計(jì)算系統(tǒng)，我們不僅需要量子硬件，還需要控制電子設(shè)備、經(jīng)典計(jì)算單元和運(yùn)行量子計(jì)算程序的軟件。”

在這方面，IBM 提供了 一種開(kāi)源量子軟件開(kāi)發(fā)工具包 Qiskit。“我們的目標(biāo)是讓開(kāi)發(fā)者社區(qū)廣泛參與并建設(shè)量子生態(tài)系統(tǒng)，將量子計(jì)算機(jī)作為用戶(hù)研究和業(yè)務(wù)的基本工具，”Chow 說(shuō)。

業(yè)界同樣需要具有數(shù)千個(gè)量子位的系統(tǒng)，雖然廠商們?cè)谶@方面還有很長(zhǎng)的路要走，但這個(gè)結(jié)果是可期的。

2019 年，谷歌的 53 量子位處理器 Sycamore 在 200 秒內(nèi)完成了一次計(jì)算任務(wù)。谷歌聲稱(chēng)，一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)完成同樣的任務(wù)需要大約 10000 年的時(shí)間。

緊接著，2021 年 6 月，中國(guó)科技大學(xué)發(fā)表了一篇關(guān)于 66 量子位超導(dǎo)量子處理器“祖沖之”的論文。在計(jì)算中，中國(guó)科技大學(xué)使用了 56 個(gè)量子位，其執(zhí)行任務(wù)的速度比谷歌的 53 量子位處理器快 2 到 3 倍。

中國(guó)科技大學(xué)教授潘建偉在一篇論文中表示：“我們預(yù)計(jì)，這種大規(guī)模、高性能的量子處理器可以讓我們?cè)诓痪玫膶?lái)能夠在經(jīng)典計(jì)算機(jī)之外尋求有價(jià)值的量子應(yīng)用。”

這些來(lái)自中國(guó)和其他地方的結(jié)果有待進(jìn)一步討論。很多企業(yè)和機(jī)構(gòu)不使用任何基準(zhǔn)來(lái)報(bào)告他們的結(jié)果，包括能夠表達(dá)量子計(jì)算機(jī)有效性的指標(biāo)——量子體積。

“這一切都不僅僅取決于量子比特。我們不知道這些系統(tǒng)中有多少能正常工作，如果沒(méi)有糾錯(cuò)功能以及沒(méi)有明確的目標(biāo)，你能添加你所用想要的量子比特，但它永遠(yuǎn)不會(huì)變得更強(qiáng)大，”來(lái)自 Moor Insights & Strategy 的 Smith Goodson 說(shuō)。

除了中科大，超導(dǎo)量子比特在其他單位也得到發(fā)展：

Rigetti 推出了多芯片量子處理器，預(yù)計(jì)今年年底實(shí)現(xiàn) 80 量子位系統(tǒng)。

今年年底，IBM 將發(fā)布 Eagle，一款 127 量子比特的量子處理器。此外，IBM 正在開(kāi)發(fā)預(yù)計(jì) 2022 年推出的 433 量子位處理器，以及預(yù)計(jì) 2023 年推出的 1121 量子位設(shè)備。

谷歌找到了一種降低量子比特錯(cuò)誤率的方法，它還計(jì)劃到 2029 年開(kāi)發(fā)出 100 萬(wàn)個(gè)量子位處理器。

4、離子阱量子比特領(lǐng)域，IonQ 位居第一

離子阱量子位是另一種有前途的技術(shù)。

對(duì)于離子阱來(lái)說(shuō)，離子（帶電原子或分子）是量子處理器的核心。據(jù)該技術(shù)的開(kāi)發(fā)商 IonQ 稱(chēng)，這一技術(shù)用捕獲的離子來(lái)充當(dāng)糾纏的量子位，完成從初始準(zhǔn)備到最終讀出的所有工作。

根據(jù)量子計(jì)算報(bào)告，在離子阱中，IonQ 以 32 個(gè)量子比特領(lǐng)先，其次是 AQT (24)、霍尼韋爾 (10) 等。

在研發(fā)方面，桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室正在開(kāi)發(fā) QSCOUT，這是一種基于離子阱量子位的量子計(jì)算機(jī)測(cè)試平臺(tái)。QSCOUT 是一個(gè) 3 量子比特系統(tǒng)。隨著時(shí)間的推移，桑迪亞計(jì)劃將該系統(tǒng)擴(kuò)展到 32 量子比特。

通過(guò) QSCOUT，桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室為最終用戶(hù)了提供一個(gè)開(kāi)放訪問(wèn)計(jì)劃。“用戶(hù)不僅可以指定他們想要應(yīng)用哪些門(mén)（每個(gè)電路由許多門(mén)組成）以及何時(shí)應(yīng)用，而且他們還可以指定門(mén)本身是如何實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)橛泻芏喾椒梢詫?shí)現(xiàn)相同的結(jié)果。這些工具使用戶(hù)能夠深入了解量子計(jì)算機(jī)在實(shí)踐中的工作方式，以幫助我們找出構(gòu)建更好計(jì)算機(jī)的最佳方法，”桑迪亞的物理學(xué)家兼 QSCOUT 負(fù)責(zé)人蘇珊·克拉克 (Susan Clark) 說(shuō)。

“由于我們是一個(gè)測(cè)試平臺(tái)系統(tǒng)，我們機(jī)器上運(yùn)行的代碼是由用戶(hù)生成的，用戶(hù)們對(duì)在量子計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的內(nèi)容有很多想法，”克拉克說(shuō)。“32 量子比特仍然足夠小，完全可以在經(jīng)典計(jì)算機(jī)上進(jìn)行模擬，所以構(gòu)建較小系統(tǒng)的目的不是為了做經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)法做的事情。”

克拉克提出了構(gòu)建較小系統(tǒng)的兩個(gè)重要原因：研究如何將問(wèn)題映射到量子計(jì)算機(jī)上，這是在未來(lái)更大的系統(tǒng)（量子化學(xué)、量子系統(tǒng)模擬）上實(shí)現(xiàn)最佳性能的最佳方式；了解能夠讓量子計(jì)算機(jī)更好地運(yùn)行的技術(shù)，以便應(yīng)用于更大的機(jī)器。

與超導(dǎo)量子比特市場(chǎng)一樣，離子阱也出現(xiàn)了一波熱潮。例如，霍尼韋爾正在剝離其量子計(jì)算部門(mén)，并將與劍橋量子計(jì)算部門(mén)合并——霍尼韋爾還展示了實(shí)時(shí)糾正量子錯(cuò)誤的能力。

與此同時(shí)，IonQ 的客戶(hù)可以通過(guò)谷歌的云服務(wù)購(gòu)買(mǎi)其量子計(jì)算機(jī)的使用權(quán)。

5、英特爾的硅自旋量子，有望打造最小的量子芯片

硅自旋量子位也很有前途。

Leti、英特爾、Imec 和其他公司正在研究這項(xiàng)技術(shù)，根據(jù)《量子計(jì)算報(bào)告》，英特爾以 26 個(gè)量子位暫時(shí)領(lǐng)先。

“我們?cè)谶@里做的是制造單電子晶體管，”英特爾的克拉克說(shuō)。“我們正在制造一種晶體管，通道中只有一個(gè)電子。該單個(gè)電子可以向上旋轉(zhuǎn)或向下旋轉(zhuǎn)，向上和向下旋轉(zhuǎn)分別代表 '0' 和 '1'。”

關(guān)鍵是讓電子進(jìn)入疊加態(tài)。“當(dāng)電子旋轉(zhuǎn)一圈時(shí)，它就是一個(gè)量子位，”克拉克說(shuō)。“如果你有兩個(gè)彼此靠近的電子，或者其中兩個(gè)自旋量子位，那么你就可以開(kāi)始執(zhí)行操作了，可以開(kāi)始使用量子糾纏了。”

硅自旋量子位有一些優(yōu)勢(shì)。“英特爾的自旋量子位的體積比采用其他一些量子位技術(shù)小一百萬(wàn)倍，”克拉克說(shuō)。“未來(lái)我們將需要 10萬(wàn) 到 100 萬(wàn)個(gè)量子位。當(dāng)我設(shè)想未來(lái)的量子芯片會(huì)是什么樣子時(shí)，它看起來(lái)會(huì)與我們的當(dāng)下的處理器相似。”

此外，自旋量子位使用的一些工藝與工具與半導(dǎo)體晶圓廠中的相同，且這些過(guò)程不涉及前沿節(jié)點(diǎn)。“我們的很多創(chuàng)新更多地來(lái)自我們使用的材料，而不是圖案化技術(shù)的能力，”克拉克說(shuō)。

放置在鉛筆橡皮擦尖端的自旋量子位芯片，圖片源自Walden Kirsch/Intel

硅自旋量子位的市場(chǎng)也非常熱鬧：

英特爾推出了第二代低溫控制芯片 Horse Ridge II。該設(shè)備將量子計(jì)算機(jī)操作的控制功能引入低溫冰箱，可以簡(jiǎn)化量子系統(tǒng)控制布線(xiàn)的復(fù)雜性。

CEA-Leti 開(kāi)發(fā)了一種內(nèi)插器，可以集成用于量子計(jì)算的設(shè)備，即內(nèi)插器連接量子位和控制芯片。

Imec 在 300 毫米集成工藝中設(shè)計(jì)了具有可調(diào)耦合的均勻自旋量子位器件。

英特爾和 FormFactor 分別開(kāi)發(fā)了冷凍探測(cè)器，這些系統(tǒng)在低溫下表征量子位。

6、寫(xiě)在后面

在上述量子位類(lèi)型之外，還有更多的探索空間。

“在光學(xué)領(lǐng)域，人們正在使用光粒子，這看起來(lái)是一個(gè)很有前途的技術(shù)，”來(lái)自 Moor Insights & Strategy 的 Smith-Goodson 說(shuō)。

目前尚不清楚隨著時(shí)間的推移哪些技術(shù)會(huì)占上風(fēng)，即便是光粒子也是如此。或許更大的問(wèn)題在于，未來(lái)的量子計(jì)算是否真的會(huì)像如今媒體宣傳里那樣發(fā)揮作用。

不過(guò)值得注意的是，很多國(guó)家和公司都在這項(xiàng)技術(shù)上下了很大的賭注——至少目前，一切相關(guān)的動(dòng)態(tài)都值得關(guān)注。

雷鋒網(wǎng)編譯，原文來(lái)自 Semiconductor Engineering