量子计算机走向实用，还差几步？|天天爱天天做天天爽
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今年是联合国确定的“国际量子科学与技术年”。这意味着联合国正式承认量子科学与技术在能源、教育、通信和人类健康领域开发可持续解决方案的变革潜力，认为它对实现可持续发展目标息息相关。
尽管量子计算的前沿研究还在实验室如火如荼展开，但一个围绕量子计算的全球性产业生态已在逐步形成。锚定“真正实用”的目标，量子计算正在加速走出实验室，走进现实生活。
现在，或许是踏入量子计算领域的最好时机。“十年前，人们还在怀疑量子计算是否只是实验室里的‘尝鲜’，但如今它已在形成一个全球性生态系统。”法国量子初创公司爱丽丝&鲍勃联合创始人洛朗·普罗斯特说。微软量子研究团队(QuArC)首席研究经理克瑞丝塔·斯沃雷更直白地认为，量子计算机“已经可以运转了”。
但在现实中，全球竞争者们还在分头探索不同技术路线，都希望自己的方案能笑到最后，这意味着量子计算新技术研究路径尚未进入收敛阶段。
最重要的问题是——量子计算机究竟能用来做什么？迄今为止，它的实际用途相当有限。要兑现其“解决传统计算机无法应对的问题”的承诺，量子计算机不仅要能运行复杂的计算，还要错误率足够低，以确保计算结果有意义。但这两个目标相互掣肘：增加量子计算机中的量子比特(量子计算机的基本单元)来提高计算能力，通常也意味着出错风险飙升。
比特进化
从“能造”到“造得好”
科学家们尝试将多个“物理量子比特”组合成更强大的“逻辑量子比特”，以达到在计算过程中实时检测并修复错误的目的。“你必须能边算边纠错。”斯沃雷说，这也成为各大研究团队的共同目标：尽可能多地造出逻辑量子比特。
从目前来看，美国初创公司原子计算在实现的比特数量上暂时领跑。他们最新研制的量子计算机拥有的量子比特数量达到1180个，由超冷中性镱原子组成。法国公司Pasqal紧随其后，加入了1110个原子的量子比特(尚未投入计算)。中国科学技术大学的研究人员则展示了利用人工智能加速原子装配的相关成果。
“量子计算已经突飞猛进，我们从‘能不能造’的阶段进入了‘能否造得更好’的阶段。”原子计算公司创始人兼首席执行官本·布鲁姆认为，中性原子这一路线目前处于领先地位。
不过，量子计算的突破远不是堆叠比特那么简单。“做出真正有用的量子计算机，关键是构建一个完善的系统。”英伟达量子产品市场经理尼古拉斯·哈里根表示。英伟达虽未自行研发量子芯片，但正与多家公司合作，研究如何更好地发挥量子计算的性能。其他传统计算行业巨头也有类似想法，例如，微软去年与原子计算合作推出了一款具有24个逻辑量子比特的商用量子机器，这被视为迈向实用量子设备的第一步。
但在逻辑比特的竞赛中，赢家另有其人。美国量子计算初创公司QuEra所展示的逻辑量子比特已超过40个。拔得头筹的则是美国知名量子计算公司Quantinuum，成功运行了50个逻辑比特。其总裁兼首席执行官拉吉布·哈兹拉透露，公司即将发布的新一代量子计算机，其编码能力将比现有纪录高出一万亿倍。
比拼激烈
多条路径各展所长
Quantinuum公司采用的是“离子阱”路线，即采用电磁场约束的带电镱离子来构建量子比特。这一技术路径也受到英国量子初创公司Oxford Ionics与美国量子计算公司IonQ等的青睐。IonQ的系统架构与性能高级总监约翰·甘布尔指出，中性原子与离子阱的共同优势在于量子比特之间的连接更灵活，更容易忠实执行各种算法，包括将物理比特转化为逻辑比特，以实现不同方式的纠错——现在比的是灵活性和多功能性。
正因为这种灵活性，选择中性原子和离子阱路线的公司相信自己有机会在未来超越谷歌和IBM。谷歌是该领域最早声称实现“量子优越性”的公司。这个概念最早由2012年美国加州理工学院理论物理学家约翰·普瑞斯基尔提出，指的是量子计算机可以做到传统计算机实现不了的事。2019年，谷歌宣布打造出第一台运算能力远超传统超级计算机的量子计算机。尽管这一说法在当时受到质疑，但谷歌在2024年再次宣称达成量子优越性，其量子芯片“垂柳”(Willow)可在5分钟内完成一项传统超级计算机需要十垓年(1025年)才能完成的计算任务。
谷歌和IBM将超导量子芯片作为主要攻关方向。这种方案具有运行速度快、部分场景下可靠性更高的优势，但也存在局限。比如，中性原子比特容易从激光控制的状态中“跑偏”，从而引发错误。
不过，超导技术最大的问题也许是“连接”。超导量子比特通常只能连接到邻近比特，这让许多新型纠错算法难以实现，探索空间也受到限制。
“新的纠错代码层出不穷，现在远不是终点。”甘布尔说。布鲁姆也表示，原子计算公司之所以从其他路径转向中性原子，是因为中性原子在应对量子计算最核心挑战时显得更具优势。而曾被视为最有前景的超导路线，可能正遭遇瓶颈。
当然，这并不意味着谷歌的努力毫无价值。谷歌的探索已展示出，通过将更多物理比特整合到逻辑比特中，确实能提高纠错能力——这也是实现大规模量子计算机的关键一步。
真正实用
商用设备或五年内面世
目前，IBM的Condor芯片已拥有1121个超导量子比特，仅比原子计算公司创造的最高纪录少59个。不过，IBM的计划是到2026年突破4000比特大关。为实现这一目标，IBM正在研发连接现有芯片的模块，以打造出更大规模的“模块化”量子计算平台，并希望借此执行更多复杂的纠错算法。
美国量子集成电路开发商Rigetti Computing也没有放弃超导路线。公司首席技术官大卫·里瓦斯指出，超导量子计算机已具备一定的实用价值。该公司不仅推出了一款即买即用的9量子比特量子计算机，还同时提供接入一台84量子比特大型处理器的服务。这些设备目前已在向政府实验室和商业客户出售。
爱丽丝&鲍勃公司同样采用超导路线构建量子比特，但其设计理念不同：他们希望在构建逻辑比特之前，就大幅减少物理比特的出错率。该公司研究人员相信，这种方式只需几千个量子比特就能实现完全无误的量子计算，而竞争对手可能需要上百万个。目前，他们尚未展示任何逻辑量子比特，但目标是在2030年前打造出真正实用的量子计算机。
终点何在
成为社会底层技术
在量子计算这个赛道上，“五年计划”似乎成了惯例。
美国初创公司PsiQuantum有个更为激进的计划：跳过小规模比特实验阶段，在2027年直接推出一台大规模、类超级计算机的量子计算机。他们采用光子作为量子比特，专注于将传统意义上复杂的控制组件(如激光和透镜)集成到可工业量产的半导体芯片上。该公司联合创始人兼首席科学官皮特·沙博尔特表示，他们擅长制定高难度但合理可行的时间表。
其他走光子路线的公司则相对稳健。2021年，加拿大量子计算公司Xanadu展示了一种可运行多个算法的光子量子计算芯片。法国Quandela公司则推出了一款12比特的量子计算机，其模块化设计便于未来的扩展升级。
谁最有希望脱颖而出？长期关注该行业的美国加州理工学院教授约翰·裴士基倾向于押宝在中性原子上。他认为，这种技术具备规模制造能力和灵活连接能力，在执行量子算法方面潜力巨大，“如果能造出几万个中性原子量子比特，其性能可媲美几十万个超导比特”。
然而，最好的量子比特或许会是“根本没人察觉到其存在”的那个。或许，最理想的未来并不是某种技术称王，而是没人再关心底层技术。“就像今天的AI开发者不会纠结用的是哪种CPU，未来的工程师也无需关心用的是哪种物理量子比特。”布鲁姆说，直到那时，量子计算机才真正开始解决能改变世界的问题。
尽管并非所有量子实验都能成功，但量子计算正在加速驶出实验室，驶向现实世界。
本报记者 刘琦/编译
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