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                                           Chris Monroe在檢驗設(shè)備。圖片來源：Cameron Davidson

       一個周日的下午，量子計算創(chuàng)業(yè)公司ionQ的兩位聯(lián)合創(chuàng)始人正和他們的首位受雇人——新CEO，開戰(zhàn)略會議。坐在美國馬里蘭大學(xué)的物理學(xué)樓里舒適的皮椅上，兩位創(chuàng)始人正體驗著一絲文化碰撞。

       這兩位從事研究的科學(xué)家：馬里蘭大學(xué)物理學(xué)家Chris Monroe和杜克大學(xué)電子工程師Jungsan Kim很放松，甚至在記者面前大談公司規(guī)劃。他們列舉了為何選擇束縛離子，他們的專長將有助于打造一臺偉大的量子計算機——完美的再現(xiàn)性、耐久性以及利用激光實現(xiàn)良好的可控性。

       而新CEO David Moehring是Monroe和Kim剛從美國IARPA雇來的，他更警覺。他警告Monroe和Kim不要泄露創(chuàng)業(yè)公司應(yīng)保密的信息——包括從風(fēng)投那里獲得的投資額。Kim對Moehring點著頭并輕笑。“在某個時點，這個家伙會要求我們的談話經(jīng)過他的許可?！?/span>

       黃金時代

       不過，這幾個看似不可能的合伙人都有一個共同的信念：量子計算已經(jīng)準備迎來黃金時期。該技術(shù)旨在利用量子力學(xué)大幅加速計算。他們并非孤軍奮戰(zhàn)?？萍季揞^英特爾、微軟、IBM和谷歌正投入數(shù)千萬美元到量子計算。然而這些競爭者正將賭注下給不同的技術(shù)黑馬：無人知曉驅(qū)動一臺實用的量子計算機需要什么類型的量子比特。

       谷歌常被視為這一領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊，該公司已經(jīng)宣布了其選擇：微型超導(dǎo)電路。其研究團隊打造出一臺9量子比特的機器，并希望一年內(nèi)擴展至49量子比特——這是一個重要門檻。在50量子比特階段，許多人認為一臺量子計算機就可以成為“量子霸權(quán)”。這是加州理工物理學(xué)家John Preskill創(chuàng)造的詞匯，以表示一臺可以完成超越傳統(tǒng)計算機的量子計算機，比如模擬化學(xué)和材料科學(xué)分子結(jié)構(gòu)或解決機器學(xué)習(xí)中的某些問題。

       ionQ團隊并沒有被谷歌的成功所折服?！拔也⒉粨?dān)心谷歌會在下個月宣布游戲結(jié)束。”Kim說，“或者他們可以這么宣布，但游戲并未結(jié)束。”但ionQ有很多劣勢——沒有專門的辦公室，甚至還沒有網(wǎng)站。這家創(chuàng)業(yè)公司仍然在堅持束縛離子，這也是世界上最早的量子邏輯門背后的技術(shù)，由Monroe本人在1995年親自幫助創(chuàng)造出來的。使用精準調(diào)制的激光脈沖，Monroe可以將離子激發(fā)到可以維持數(shù)秒的量子態(tài)——這比谷歌的量子比特維持時間長多了。Kim已經(jīng)開發(fā)出了一個可以將離子群連接到一起的模塊化方案。

       到目前為止，其中最好的成績也不過是實現(xiàn)了5個量子比特的可編程機器。Monroe承認：“束縛離子現(xiàn)在有點像怪物，但我認為未來幾年人們會蜂擁而至?！?/span>

       有一件事是確定無疑的：打造一臺量子計算機已經(jīng)不再是一些科學(xué)家的遙遠夢想了，而是成了一些最大型公司的直接目標(biāo)。盡管對產(chǎn)業(yè)界玩家而言，超導(dǎo)量子比特可能 已經(jīng)獲得了領(lǐng)先的發(fā)展勢頭，但相關(guān)專家都認為現(xiàn)在要說哪種技術(shù)已獲勝還為時尚早?！斑@些技術(shù)在齊頭并進地開發(fā)著，這是件好事。”Preskill說，“還可能會有驚喜，并改變現(xiàn)在的局面?！?/span>

       快并脆弱

       量子比特能秒殺傳統(tǒng)計算機比特得益于兩個獨特的量子效應(yīng)：量子疊加和量子糾纏。量子疊加能讓一個量子比特的值不單止于0或1，而是在同一時間同時具備這兩種狀態(tài)，這可以實現(xiàn)同步計算。量子糾纏能讓一個量子比特與空間上獨立的其他量子比特共享自身狀態(tài)，創(chuàng)造出一種超級疊加，每個量子比特的處理能力因此翻倍。理論上，只要300全糾纏的量子比特就能支持比宇宙中原子數(shù)量更多的平行計算。

       這種大規(guī)模并行可能在很多任務(wù)上并沒有價值——沒有人認為量子計算機會徹底改變文字處理或電子郵件。但其可以極大地加速被設(shè)計用來同時探索大量不同路徑的算法，例如，大數(shù)據(jù)搜索和發(fā)現(xiàn)新型的化學(xué)催化劑。量子計算機也可以在物理學(xué)領(lǐng)域被用來模擬黑洞或其他現(xiàn)象。

       但還有很多工作要做。量子疊加態(tài)和糾纏態(tài)非常脆弱。來自環(huán)境的輕微擾動就能將其破環(huán)——甚至對其進行觀測就會破壞其狀態(tài)。量子計算機需要被保護起來，以免受耶魯大學(xué)物理學(xué)家Robert Schoelkopf所說的“經(jīng)典混沌之海”的干擾。

       雖然相關(guān)理論在20世紀80年代初就開始萌芽，但實驗量子計算直到1995年才得以發(fā)展。1995年，新澤西州貝爾實驗室一位名叫Peter Shor的數(shù)學(xué)家，證明了運用量子計算機能有效地進行大數(shù)的因式分解，這種能力使得現(xiàn)代密碼學(xué)在量子計算機面前變得不堪一擊。Shor和其他一些學(xué)者也證明，從理論上說通過鄰近的量子比特來糾正錯誤，一直保持脆弱量子比特的穩(wěn)定性是可能實現(xiàn)的。

       一時間，許多物理學(xué)家及其資助人也都開始研發(fā)量子計算機，并且表明這個機器不會變成一大堆級聯(lián)錯誤。諾獎得主、科羅拉多州博爾德國家標(biāo)準技術(shù)研究所（NIST）物理學(xué)家David Wineland，率先提出了激光冷卻離子并控制其內(nèi)部量子態(tài)的方法。在Shor的研究發(fā)布之后不到一年，Wineland和當(dāng)時供職于NIST的Monroe就通過用激光控制鈹離子中的電子態(tài)的方法，建立了第一個量子機制邏輯門。Monroe說：“正是因為Wineland在離子方面的研究，我們才能在早期的量子計算實驗中把握領(lǐng)先趨勢?！?/span>

       多管齊下

       隨著世界各地政府將大把經(jīng)費投向量子物理研究團體，其他一些類型的量子比特開始出現(xiàn)了。21世紀初，束縛離子的概念受到了另一個新概念的挑戰(zhàn)：由超導(dǎo)體制成的回路。這里所使用的超導(dǎo)體是一種帶有振蕩電路的金屬材料，其在冷卻到接近絕對零時沒有電阻。量子比特的0和1與不同的電流強度相對應(yīng)?；芈吠ㄟ^肉眼便可以觀察，不需要用到激光，用簡單的微波電子技術(shù)就可以控制，制作過程只需要使用常規(guī)的計算機芯片制造技術(shù)。此外，回路的運行也非?？?。

       但超導(dǎo)體有一個致命的弱點：環(huán)境噪音。即使是用來控制它們的電子設(shè)備，都能在不到一微秒內(nèi)打亂其量子疊加態(tài)。但工程技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)將回路的穩(wěn)定性提高了至少100萬倍，所以現(xiàn)在它們保持疊加態(tài)的時間可以達到幾十微秒，雖然維持時間仍比離子短得多。

       2007年，加拿大本那比D-Wave Systems公司發(fā)布了一則令人震驚的消息，它宣布研制成功了16個量子比特的超導(dǎo)量子計算機。該計算機所依賴的是一種叫做量子退火的技術(shù)，在這種技術(shù)當(dāng)中，量子比特可以和鄰近的量子比特糾纏，交互產(chǎn)生一個單獨的整體量子態(tài)，而不是一系列并行計算。

       盡管批評聲接踵而至：D-Wave甚至沒有嘗試解決那些對量子計算來說至關(guān)重要的問題，例如糾錯。但各大公司仍對這種設(shè)備趨之若鶩，谷歌和洛克希德馬丁公司都成了D-Wave的客戶。D-Wave讓一些公司開始展開思路?！八屛覀儽犻_了雙眼，D-Wave的出現(xiàn)預(yù)示著這個市場正在形成，需求已經(jīng)出現(xiàn)?！盡onroe說。

       而英特爾在2015年宣布，將對源自荷蘭代爾夫特科技大學(xué)的QuTech公司投入5000萬美元，開發(fā)硅量子點。它也經(jīng)常被稱為“人工原子”，每個點量子比特是一塊小材料，其中結(jié)構(gòu)就像原子一樣，電子的量子態(tài)可以用來表示0和1。不同于離子或原子，量子點不需要用激光?！拔艺J為英特爾的心臟是由硅組成的?！盦uTech科學(xué)總監(jiān) Leo Kouwenhoven說，“這就是為什么他們擁有如此地位的原因?！?/span>

       微軟的行動看起來更加有遠見：基于非阿貝爾任意子的拓撲量子比特。而谷歌已經(jīng)招募到了加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校超導(dǎo)量子比特專家 John Martinis。7月，Martinis的團隊用3個超導(dǎo)量子比特成功地模仿了一個氫分子的基態(tài)能，證明量子計算機和常規(guī)計算機一樣具備模擬簡單量子系統(tǒng)的能力。

       與此同時，Monroe正在和束縛離子研究中遇到的挑戰(zhàn)“纏斗”。束縛離子的量子比特可以維持數(shù)秒的穩(wěn)定，這一特性得益于真空腔和電極的作用，它們可以在外部噪聲存在的情況下維持量子比特的穩(wěn)定。

       即使有大量資金投入，量子計算成為一個秘密商業(yè)領(lǐng)域還有很長的路要走。更重要的是，沒有人足夠了解量子計算，所以也就沒人能說用哪一種量子比特就能實現(xiàn)量子計算機。在擴展實用的量子計算機之前，每一種方面都還需要經(jīng)過精心的調(diào)制細化。超導(dǎo)基量子比特和硅基量子比特需要在更大的一致性下制造，而冷卻設(shè)備需要高效化。同時束縛離子需要更快的邏輯門和更緊湊的激光與光學(xué)器件。拓撲量子位也還需要被創(chuàng)造。

       未來的量子計算機很可能是一個混合物，它利用超快的超導(dǎo)量子比特運行算法，然后用更穩(wěn)定的離子內(nèi)存輸出，同時使用光子在該機器的不同部分之間或量子網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間穿梭傳遞信息。微軟研究人員Krysta Svore說：“可以想象我們會身處這樣一個境地：有幾類量子比特，它們各自扮演不同角色?！?br />