編者按：作為一個(gè)熱門概念，我們經(jīng)常聽到量子計(jì)算又有新突破的消息。但很少人清楚，今天的量子計(jì)算技術(shù)究竟走到了哪一步？到底有多少種實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的方式？本文將對(duì)這兩個(gè)問題進(jìn)行全面梳理，介紹如今各技術(shù)流派的發(fā)展，以及各科技巨頭的研究情況。
堅(jiān)持囚禁離子技術(shù)的量子計(jì)算公司
美國(guó)量子計(jì)算機(jī)初創(chuàng)企業(yè) ionQ 有三位核心成員：馬里蘭大學(xué)物理學(xué)家 Chris Monroe，杜克大學(xué)電氣工程師 Jungsang Kim, 以及原本供職于美國(guó)情報(bào)部門 IARPA（“高級(jí)研究計(jì)劃署”）的 David Moehring。其中，前兩位是公司創(chuàng)始人，是研究囚禁離子（trapped ions）的專家。而 David Moehring 是他們雇來(lái)的 CEO。
今年九月，這三位還在馬里蘭大學(xué)討論量子計(jì)算的前景，包括為什么利用囚禁離子能制造出理想的量子計(jì)算機(jī)––它有完美的再現(xiàn)性（reproductivity），長(zhǎng)生命周期，不錯(cuò)的激光可控性。
這三人有一個(gè)共同觀點(diǎn)：量子計(jì)算的黃金時(shí)代即將到來(lái)。它將利用量子力學(xué)，為電腦運(yùn)算帶來(lái)指數(shù)級(jí)得巨幅加速。持同樣觀點(diǎn)的不僅僅有他們。科技巨頭英特爾、微軟、IBM，谷歌都在向量子計(jì)算投入千萬(wàn)美元的研發(fā)資金。但是，他們?cè)趯?duì)不同的量子計(jì)算技術(shù)下賭注–––沒有人知道，采用哪種量子比特（qubit）能造出有實(shí)用價(jià)值的量子計(jì)算機(jī)。
圖表：量子計(jì)算五大技術(shù)流派
被看做是量子計(jì)算領(lǐng)域領(lǐng)頭羊的谷歌，已經(jīng)做出了選擇：極小的超導(dǎo)電路。谷歌已制造出 9 量子比特的機(jī)器，并計(jì)劃明年增加至 49 量子比特。這是一個(gè)極為關(guān)鍵的門檻。學(xué)者預(yù)計(jì)，在 50 量子比特左右，量子計(jì)算機(jī)就能達(dá)到“量子霸權(quán)”（quantum supremacy）。這是加州理工學(xué)院物理學(xué)家 John Preskill 發(fā)明的名詞，用來(lái)指示“量子計(jì)算機(jī)在一些領(lǐng)域有傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)所不具有的能力”，比如在化學(xué)和材料學(xué)里模擬分子結(jié)構(gòu)，還有處理密碼學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)的一些問題。
IonQ 團(tuán)隊(duì)并沒有因谷歌的成功而氣餒。Jungsang Kim 說(shuō)：“我不認(rèn)為谷歌能在下個(gè)月宣布成功研制量子計(jì)算機(jī)。退一步講，即便他們成功了，游戲也不會(huì)結(jié)束。” IonQ 堅(jiān)持使用囚禁離子，它是世界上第一個(gè)量子邏輯門背后的技術(shù)。那是一個(gè) 1995 年完成的項(xiàng)目，Chris Monroe 是參與者之一。使用精確調(diào)整的激光脈沖，Monroe 能把離子打入持續(xù)數(shù)秒的量子態(tài), 這遠(yuǎn)超谷歌的量子比特。Jungsang Kim 開發(fā)了一個(gè)把不同離子群連接到一起的模塊化方案。如該方法奏效，ionQ 就能快速擴(kuò)大量子比特的規(guī)模。但直到現(xiàn)在，他們只成功地把五個(gè)量子比特加入到可編程設(shè)備中。
Chris Monroe 承認(rèn)，現(xiàn)在很多人把囚禁離子看作是“害群之馬”，但他堅(jiān)信，將來(lái)人們會(huì)蜂擁加入到囚禁離子陣營(yíng)中。
是否會(huì)如此還很難說(shuō)。但有一件事是肯定的：制造量子計(jì)算機(jī)已經(jīng)從科學(xué)家們的一個(gè)遙遠(yuǎn)的夢(mèng)想，變成了科技巨頭們想要立刻實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。ionQ 就是這浪潮中想要分一杯羹的參與者。雖然超導(dǎo)量子比特技術(shù)現(xiàn)在是行業(yè)領(lǐng)頭羊，專家們認(rèn)為，現(xiàn)在宣布超導(dǎo)量子比特的勝利，還為時(shí)過早。量子信息學(xué)非正式院長(zhǎng) Preskill 說(shuō)：“不同的量子技術(shù)在同時(shí)發(fā)展，這是一件好事。因?yàn)楹芸赡軙?huì)有驚喜發(fā)現(xiàn)，然后帶來(lái)量子計(jì)算領(lǐng)域的革新。”
量子計(jì)算機(jī)憑什么超越傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)？
量子比特相比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)比特更強(qiáng)大，是由于兩個(gè)獨(dú)特的量子現(xiàn)象：疊加（superposition）和糾纏（entanglement）。量子疊加使量子比特能夠同時(shí)具有 0 和 1 的數(shù)值，可進(jìn)行“同步計(jì)算”（simultaneous computation）。量子糾纏使分處兩地的兩個(gè)量子比特能共享量子態(tài)，創(chuàng)造出超疊加效應(yīng)：每增加一個(gè)量子比特，運(yùn)算性能就翻一倍。比方說(shuō)，使用五個(gè)糾纏量子的算法，能同時(shí)進(jìn)行 25 或者 32 個(gè)運(yùn)算，而傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)必須一個(gè)接一個(gè)地運(yùn)算。理論上， 300 個(gè)糾纏量子能進(jìn)行的并行運(yùn)算數(shù)量，比宇宙中的原子還要多。
這種超大規(guī)模的并行計(jì)算，對(duì)于處理日常任務(wù)其實(shí)沒什么用。沒有人認(rèn)為量子計(jì)算機(jī)會(huì)顛覆文字處理和 email。但對(duì)于需要同時(shí)探索無(wú)數(shù)條路徑的算法，還有對(duì)海量數(shù)據(jù)庫(kù)的搜索，量子計(jì)算能極大地提高速度。它能被用來(lái)尋找新的化學(xué)催化劑，對(duì)加密數(shù)據(jù)的海量數(shù)字作因子分解（factoring），或許還能模擬黑洞和其他物理現(xiàn)象。
但有一個(gè)主要的陷阱––量子疊加和糾纏狀態(tài)極度得脆弱，能被環(huán)境中的細(xì)微擾動(dòng)所打破，這包括了任何測(cè)量它們的嘗試。量子計(jì)算機(jī)需要被保護(hù)起來(lái)，與耶魯大學(xué)物理學(xué)家 Robert Schoelkopf 描述的“汪洋般的混亂”（a sea of classical chaos）隔離開來(lái)。
雖然量子計(jì)算的理論在 1980 年代就開始出現(xiàn)，直到 1995 年才有了第一次實(shí)驗(yàn)。貝爾實(shí)驗(yàn)室的數(shù)學(xué)家 Peter Shor，向人們展示量子計(jì)算機(jī)可以對(duì)大量數(shù)字快速因子分解––若能實(shí)現(xiàn)，這會(huì)使現(xiàn)代密碼學(xué)的大部分發(fā)明過時(shí)。Peter Shor 和其他人還展示了，若使用臨近量子比特修正錯(cuò)誤，讓脆弱的量子比特永遠(yuǎn)保持穩(wěn)定狀態(tài)在理論上是可能的。
頓時(shí)，物理學(xué)家和他們的資助者相信，量子計(jì)算機(jī)未必會(huì)出現(xiàn)一大堆運(yùn)算錯(cuò)誤，他們有了充足的理由去嘗試造一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)。那時(shí)，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?wù)撸? NIST（美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院）工作的 David Wineland 已經(jīng)開始了對(duì)使用激光冷卻離子、并控制他們內(nèi)在量子態(tài)的研究。ionQ 的創(chuàng)始人 Chris Monroe 那時(shí)就在 NIST 工作，他與 David Wineland 一起造出了第一個(gè)量子力學(xué)邏輯門，使用激光控制鈹離子的電子態(tài)。有著和 Wineland 研究離子的經(jīng)驗(yàn)，Chris Monroe 表示，成為早期量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)領(lǐng)頭羊的機(jī)會(huì)，落在了他們手中。
科技巨頭們的量子計(jì)算研究進(jìn)展
超導(dǎo)技術(shù)
在全世界，成百上千萬(wàn)的政府研究資金正流入量子物理學(xué)中。隨著研究深入，其他形式的量子比特浮現(xiàn)出來(lái)。2010 年開始，囚禁離子技術(shù)遭遇了強(qiáng)大的挑戰(zhàn)者： 超導(dǎo)體制成的電流回路。其中，超導(dǎo)體是由接近絕對(duì)零度時(shí)、攜帶無(wú)電阻振蕩電流的金屬物質(zhì)組成。量子比特的 0 和 1 由不同的電流強(qiáng)度表示。該技術(shù)有許多吸引人的優(yōu)點(diǎn)：1. 電流回路可以被肉眼觀察到。 2. 使用簡(jiǎn)單的微波儀器就能控制，不需要對(duì)操作要求苛刻的激光。3. 使用傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)芯片制造技術(shù)就能生產(chǎn)。 4. 運(yùn)轉(zhuǎn)速度非常快。
但是，超導(dǎo)技術(shù)有一個(gè)致命缺陷：環(huán)境噪音。即使是控制設(shè)備的噪音，也能在遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足一微秒的瞬間擾亂量子疊加。如今工程技術(shù)的優(yōu)化，已使電路的穩(wěn)定性提高了近百萬(wàn)倍，所以量子疊加狀態(tài)可以維持?jǐn)?shù)十微秒，但這仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如離子。
D-Wave和量子退火
2007 年，加拿大初創(chuàng)公司 D-Wave Systems 宣布，他們使用 16 個(gè)超導(dǎo)量子比特成功制成量子計(jì)算機(jī)。這震驚了世界。但是 D-Wave 的機(jī)器并沒有使所有的量子比特發(fā)生糾纏，并且不能一個(gè)量子比特接著一個(gè)量子比特得編程（be programmed qubit by qubit），而是另辟蹊徑，使用了一項(xiàng)名為“量子退火”（quantum annealing）的技術(shù)。該技術(shù)下，每個(gè)量子比特只和臨近的量子比特糾纏并交互，這并沒有建立起一組并行計(jì)算，而是一個(gè)整體上的、單一的量子狀態(tài)。D-Wave 開發(fā)者希望把復(fù)雜的數(shù)學(xué)問題映射到該狀態(tài)，然后使用量子效應(yīng)尋找最小值。對(duì)于優(yōu)化問題（比如提高空中交通效率的）來(lái)說(shuō)，這是一項(xiàng)很有潛力的技術(shù)。
但批評(píng)者們立刻指出：D-Wave 并沒有攻克許多公認(rèn)的量子計(jì)算難題，比如錯(cuò)誤修正（error correction）。包括谷歌和洛克希德馬丁在內(nèi)的幾家公司，購(gòu)買并測(cè)試了 D-Wave 的設(shè)備，他們初步的共識(shí)是，D-Wave 做到了一些能稱之為量子計(jì)算的東西，而且，在處理一些特定任務(wù)時(shí)，他們的設(shè)備確實(shí)比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)要快。不論這到底算不算量子計(jì)算，D-Wave 把私營(yíng)企業(yè)們震醒了。Chris Monroe 說(shuō)：“D-Wave 確實(shí)打開了人們的眼界。他們讓大家意識(shí)到，量子計(jì)算機(jī)是有市場(chǎng)的，并且有強(qiáng)烈的需求。” 幾年內(nèi)，各個(gè)公司紛紛投入到與他們專業(yè)知識(shí)相關(guān)的各個(gè)量子計(jì)算領(lǐng)域中去。
英特爾和硅量子點(diǎn)
對(duì)量子計(jì)算最大的賭注恐怕來(lái)自英特爾：2015 年，它宣布將向荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的量子技術(shù)研究項(xiàng)目 QuTech 投資 5000 萬(wàn)美元。英特爾專注于硅量子點(diǎn)技術(shù)（silicon quantum dots），它經(jīng)常被稱作“人造原子”。一個(gè)量子點(diǎn)量子比特是一塊極小的材料，像原子一樣，它身上電子的量子態(tài)可以用 0 或 1 來(lái)表示。不同于離子或原子，量子點(diǎn)不需要激光來(lái)困住它。
早期的電子點(diǎn)用幾近完美的砷化鎵晶體制作，但研究人員們更傾向于硅，希望能利用半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的巨大產(chǎn)能。QuTech 技術(shù)負(fù)責(zé)人 Leo Kouwenhoven 說(shuō)：“我認(rèn)為英特爾屬意于硅，畢竟那是他們最擅長(zhǎng)的材料。” 但是基于硅的量子比特研究，大大落后于囚禁離子和超導(dǎo)量子技術(shù)。去年，澳大利亞新南威爾士大學(xué)的一只研究團(tuán)隊(duì)才完成兩個(gè)量子比特的邏輯門。
微軟和拓?fù)淞孔?/strong>
而微軟的選擇甚至更遙遠(yuǎn)：基于非阿貝爾任意子（nonabelian anyons）的拓?fù)淞孔颖忍兀?topological qubits）。這些根本就不是物體，他們是沿著不同物質(zhì)邊緣游動(dòng)的準(zhǔn)粒子（quasiparticles）。他們的量子態(tài)由不同交叉路線（braiding Paths）來(lái)表現(xiàn)。因?yàn)榻徊媛肪€的形狀導(dǎo)致了量子疊加，他們會(huì)受到拓?fù)浔Ｗo(hù)（topologically protected）而不至于崩潰，這類似于打結(jié)的鞋帶不會(huì)散開。
這意味著，理論上拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)不需要在錯(cuò)誤修正上花費(fèi)那么多量子比特。早在 2005 年，微軟帶領(lǐng)的一支研究團(tuán)隊(duì)，就提出了一種在半導(dǎo)體-超導(dǎo)體混合結(jié)構(gòu)中建造拓?fù)浔Ｗo(hù)量子比特的方法。微軟已經(jīng)投資了數(shù)個(gè)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行嘗試。他們近期的論文，還有貝爾實(shí)驗(yàn)室的一項(xiàng)獨(dú)立研究都展示了，關(guān)鍵的任意子以電路中電流的模式進(jìn)行移動(dòng)的”征兆“。這些科學(xué)家已經(jīng)很接近展示真正的量子比特了。Preskill 說(shuō)：“我認(rèn)為在一兩年內(nèi)，我們就可以看到結(jié)果––拓?fù)淞孔颖忍卮_實(shí)存在。“
谷歌的超導(dǎo)量子研究
谷歌這邊，他們雇傭了加州大學(xué)圣芭芭拉分校（University of California, Santa Barbara）的超導(dǎo)量子比特專家 John Martinis 。他研究過 D-Wave 的運(yùn)行方式和缺陷。在 2014 年，谷歌把整個(gè)加州大學(xué)圣芭芭拉分校研究團(tuán)隊(duì)的全部十幾個(gè)人，都給招募了。這之后，John Martinis 團(tuán)隊(duì)宣布，他們已經(jīng)建成了 9 量子比特的機(jī)器，是目前世界上可編程的量子計(jì)算機(jī)中最大的之一，而且他們正在嘗試擴(kuò)大規(guī)模。為了避免大堆纏繞的電線，他們正在 2D 平面結(jié)構(gòu)上重建該系統(tǒng)。系統(tǒng)會(huì)鋪設(shè)在一塊晶圓上，所有控制電路都蝕刻在上面。
John Martinis 團(tuán)隊(duì)如今已有 30 名科學(xué)家和工程師。七月，他們用了三個(gè)超導(dǎo)量子比特來(lái)模擬氫分子的基態(tài)（ground state）能量，這展示了在模擬簡(jiǎn)單的量子系統(tǒng)上，量子計(jì)算機(jī)可以做到和傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)一樣好。Martinis 表示，這個(gè)結(jié)果預(yù)示了擁有”量子霸權(quán)“的計(jì)算設(shè)備的力量。他還認(rèn)為，谷歌一年造出 49 量子比特計(jì)算機(jī)的計(jì)劃很趕時(shí)間，但或許有可能實(shí)現(xiàn)。
ionQ和囚禁離子
與此同時(shí)，ionQ 的 Chris Monroe 正在試圖克服囚禁離子帶來(lái)的各項(xiàng)挑戰(zhàn)。作為量子比特，它們可以在幾秒鐘內(nèi)維持穩(wěn)態(tài)，這還多虧了真空裝置和在環(huán)境噪音影響下仍能將其穩(wěn)定的電極。但是，這些隔離措施意味著，量子比特之間的交互變得更難。Monroe 最近把 22 個(gè)鐿離子糾纏成一條線形鏈（linear chain），但至今，他還未能控制或查詢所有的離子對(duì)，而這是量子計(jì)算機(jī)必須做到的。
控制組合體的難度，會(huì)隨離子數(shù)目的增加指數(shù)級(jí)得升高。所以，加入更多離子是做不到的。 Monroe 認(rèn)為，解決辦法在于使用模組化的設(shè)計(jì)，用光導(dǎo)纖維把囚禁離子群連接起來(lái)，每個(gè)囚禁離子群約有 20 個(gè)離子。若用該方案，每個(gè)模組中的某特定量子比特都會(huì)成為該離子群的中心，從群中其他量子比特那接受信息，并與其他模組分享。這樣，大多數(shù)離子會(huì)免于外部侵?jǐn)_。
最近，Monroe 逛了逛他在馬里蘭大學(xué)的六個(gè)實(shí)驗(yàn)室。在三個(gè)較老的實(shí)驗(yàn)室里，電線和真空管路一團(tuán)團(tuán)的垂下來(lái)。在一張?zhí)卮笞雷由希哥R和鏡子亂成一堆，使用它們是為了改變激光光束的形狀，并把光束反射入真空室設(shè)備的小孔里，那里面就是實(shí)驗(yàn)離子。頭頂上的 HVAC設(shè)備們（加熱設(shè)備，通風(fēng)設(shè)備，空調(diào)）嗡嗡作響。
另外三個(gè)新實(shí)驗(yàn)室就十分干凈整潔，甚至空空蕩蕩顯得有些古怪。Rube Goldberg 式的光學(xué)實(shí)驗(yàn)桌被整合激光裝置取而代之。Monroe 說(shuō)：”我們現(xiàn)在用的激光設(shè)備只有一個(gè)激光球，并且已經(jīng)開啟。”他焦急得想把 ionQ 的實(shí)驗(yàn)室趕快運(yùn)作起來(lái)，讓高薪聘來(lái)的研究人員們正式成為 ionQ 的雇員，以盡快投入到工作中，把他們?cè)隈R里蘭大學(xué)做的研究完善起來(lái)。多虧了和馬里蘭大學(xué)不同尋常的協(xié)議， ionQ 得到獨(dú)家、免費(fèi)的專利授權(quán)。下一年，他會(huì)把他的第一個(gè)sabbatical 假期用來(lái)建立 ionQ。他表示，私營(yíng)企業(yè)對(duì)他們量子計(jì)算研究的資助，是他事業(yè)中最大的一筆錢。
量子計(jì)算展望
即便有巨額投資，量子計(jì)算在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，只會(huì)是各公司實(shí)驗(yàn)室里的商業(yè)秘密。有些大的研究機(jī)構(gòu)，甚至是那些科技巨頭的下屬部門，倒愿意把研究成果在論文和會(huì)議上公布出來(lái)。他們認(rèn)為發(fā)表最新進(jìn)展是互利的。其中一個(gè)原因是，促使?jié)撛诳蛻羲伎剂孔佑?jì)算機(jī)的應(yīng)用前景。Monroe 解釋說(shuō):“我們都需要一個(gè)市場(chǎng)。”與其遮遮掩掩，不如一起把量子計(jì)算這塊蛋糕做大。
還有一個(gè)很重要的原因：沒有人對(duì)量子計(jì)算足夠了解，但每個(gè)團(tuán)隊(duì)都選了一個(gè)量子比特類型做研究（沒有精力研究多個(gè)）。誰(shuí)知道他們選擇的類型有沒有前途呢？每種方案都需要不斷地優(yōu)化，擴(kuò)大規(guī)模，最終才能應(yīng)用于制造量子計(jì)算機(jī)。無(wú)論是制造基于超導(dǎo)體，還是硅的量子比特，都需要極高的連貫性和一致性。對(duì)它們冷卻的冷凍裝置也需要改善。囚禁離子需要更快的邏輯門，更緊湊的激光和光纖。拓?fù)淞孔颖忍厝孕枰话l(fā)明出來(lái)。簡(jiǎn)而言之，要面對(duì)的挑戰(zhàn)太多，團(tuán)隊(duì)之間需要一定程度的相互合作、信息共享，才能加快進(jìn)度。
未來(lái)的量子計(jì)算機(jī)很可能是一個(gè)混合體，由超快的超導(dǎo)體量子比特對(duì)算法進(jìn)行運(yùn)算，然后把結(jié)果扔給更穩(wěn)定的離子存儲(chǔ)。與此同時(shí)，光子在機(jī)器的不同部件之間傳遞信息，或者在量子網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)之間。微軟研究員 Krysta Svore 說(shuō)：“能夠想象，將來(lái)不同類型的量子比特會(huì)同時(shí)存在，并在不同任務(wù)中扮演不同的角色。”
量子計(jì)算機(jī)是那么新奇古怪，甚至世界的頂級(jí)量子物理學(xué)家和計(jì)算機(jī)工程師都不清楚，商業(yè)化運(yùn)營(yíng)的量子計(jì)算機(jī)會(huì)是什么樣兒。Svore 認(rèn)為，研究量子計(jì)算機(jī)應(yīng)當(dāng)在行動(dòng)中摸索。物理學(xué)家們只需要試著去造，現(xiàn)有的科技所能達(dá)到的最高深的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，然后面對(duì)這過程中出現(xiàn)的難題。 這是一個(gè)“制造，學(xué)習(xí)，重復(fù)”的過程。他說(shuō)：“我們特別喜歡設(shè)想，造出了第一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)之后，就用它設(shè)計(jì)第二臺(tái)量子計(jì)算機(jī)。”