霍尼韦尔牌量子计算机，史上最强？

出品  光子盒研究院

一场新冠疫情，让所有人知道了霍尼韦尔（Honeywell）这家公司，虽然口罩只是这家百年老店的一个毫不起眼的业务。

实际上，霍尼韦尔是一家年营业额400亿美元的多元化高科技和制造企业，业务涉及航天产品及服务、工业和家庭楼宇控制技术、汽车产品、涡轮增压器以及特种材料。

鲜为人知的是，霍尼韦尔在几十年前还曾进军计算机行业，1970年，霍尼韦尔将其计算机业务与GE的计算机业务合并，组成霍尼韦尔信息系统公司，在大型机市场上表现良好。

但是进入个人电脑时代后，IBM与Intel、微软强强联手，在PC市场所向披靡，就连最早销售个人电脑的苹果公司也差点破产。IBM在这场战斗中大获全胜，霍尼韦尔退出了这项业务。

如今，霍尼韦尔卷土重来，宣布将在未来3个月内推出世界上最强大的量子计算机，它的计算能力将是IBM拥有的53位量子比特量子计算机的两倍。

霍尼韦尔的量子之路

3月3日，霍尼韦尔宣布在量子计算领域取得重大突破，公司将在未来三个月内把全球量子体积（Quantum Volume）最强大的量子计算机推向市场。

量子体积是IBM提出的一个专用性能指标，用于衡量量子计算机的强大程度，其影响因素包括：量子比特数、门和测量误差、设备交叉通信、以及设备连接和电路编译效率等。量子体积越大，量子计算机的性能就越强大，能够解决的实际问题就越多。

2017年IBM的Tenerife设备（5量子位）已经实现了4量子体积。在今年1月宣布的28量子位超导系统上，IBM的量子体积已达到32。

IBM的目标是保持量子体积每年翻一番，这就是摩尔定律的量子版本，IBM以其量子团队负责人杰伊·甘贝塔（Jay Gambetta）的名字命名为“甘贝塔定律”。

但量子体积的说法，没有得到业界支持，包括Google在内的量子计算团队仍以量子比特数衡量量子计算机性能，除了霍尼韦尔。

霍尼韦尔即将发布的量子计算机，其量子体积将至少达到64。霍尼韦尔量子解决方案业务总裁Tony Uttley表示：“这台机器的计算能力将是IBM拥有53位量子比特的量子计算机的两倍。”预计在未来五年内，其量子计算机的性能每年将提高10倍。

Tony Uttley

Uttley曾在美国宇航局工作，差不多十年前进入霍尼韦尔公司，他的职责之一就是寻找新的创新机会。他很快看到，霍尼韦尔在激光器、调制器、光纤、超高真空环境、低温技术等领域有着无与伦比的能力。

当时，霍尼韦尔的两位博士研究人员站出来说：“如果我们把这些技术结合起来，你知道我们能做什么？”“我们可以造一台量子计算机。”

2014年美国情报高级研究计划局（IARPA）委托霍尼韦尔研制量子计算机，主要针对政府及军工部门，因此一直保持低调。直到2018年底霍尼韦尔宣布其拥有量子计算能力，人们才知道这家公司也做量子计算啊！

霍尼韦尔在接受了IARPA的委托之后，就投入资金从事相关的研究。而与其他量子计算的物理实现采用超导量子、光量子、半导体、磁共振、拓扑量子等方案不同，霍尼韦尔选择了一条不寻常的路——利用离子阱技术实现量子计算。

离子阱，又称囚禁离子，是一种利用电场或磁场将离子（即带电原子或分子）俘获和囚禁在一定范围内的装置，离子的囚禁在真空中实现，离子与装置表面不接触。再利用囚禁离子的基态和激发态组成的两个能级作为量子比特。

一个电磁场将离子困在芯片中心的一条线上

与其他技术路线相比，离子阱量子计算机具有量子比特品质高、相干时间较长、量子比特的制备和读出效率较高等三大特点。

离子阱体系是最早尝试实现量子计算的物理体系。该体系实现量子计算的理论方案由奥地利因斯布鲁克大学Blatt实验室的CirCa和Zoller于1994年首次提出。同年，美国国家标准与技术委员会（NIST）开始了该方向的实验研究。

2003年，CirCa和Zoller实现了利用失谐激光束照射和激光冷却控制非门，同年该实验室第一次成功地利用离子阱技术实现了Deutsch-Jozsa算法。

目前，马里兰大学的Chris Monroe与杜克大学的Jungsang Kim是离子阱量子计算路线的忠实支持者，2016年他们一起组建了量子计算公司IonQ。

早在2018年底，IonQ公布了两个新型离子阱量子计算机：具有160个存储量子比特，可实现79个量子比特长度上单比特操纵，11比特长度上双比特操纵。保真度方面，单比特平均保真度99.5%，双比特平均保真度97.5%。

而去年霍尼韦尔宣布，公司的离子阱量子计算机单量子比特保真度高达99.997%，是业界最好表现。不过，霍尼韦尔没有公布双量子比特的保真度。

与竞争对手相比，霍尼韦尔的另一个重要设计是，其量子计算机可以在中途改变计算，这是一种名为“中路测量”的功能。它就像计算机的“如果然后”决策点，可以在不同的情况下沿着不同的路径发送计算结果。这为量子算法开辟了新的可能性。

为了加速量子计算的开发和拓展客户的实际运用，霍尼韦尔创投公司投资了两家量子软件和算法领导者——剑桥量子计算公司（CQC）和Zapata Computing公司。

CQC在量子软件领域实力强劲，尤其在化学、机器学习和增强网络安全领域拥有量子开发平台和企业级应用；Zapata创建了企业级、量子赋能的软件，帮助企业在适用量子计算的领域找到解决方案，不受客户使用硬件的局限。

就在三个月前，霍尼韦尔宣布和微软合作，通过微软的Azure量子服务，为霍尼韦尔量子计算机提供云接入服务，并与摩根大通合作研究如何将量子计算应用于金融服务。

霍尼韦尔预计，在自己的业务中使用量子计算机也会受益。Uttley说，量子计算机将帮助霍尼韦尔模拟对化学和材料科学有用的分子、执行对石油和天然气行业有用的优化计算以及执行对航空航天有用的AI工作。

量子计算机的大混战

近年来随着研制量子计算机的团队增多，他们之间的竞争已经越来越像一个大混战了。

D-Wave利用退火技术最早研制专用量子计算机，被竞争对手称为“并非真正意义的量子计算机”；Google宣布实现“量子霸权”，遭到了诸多质疑；IBM提出“量子体积”，也没有得到更多人的响应……这场混战中，谁都没能领先谁一个身位。

因为在量子计算研究的早期，无论选择哪种技术路线，都有各自需要面临的困难，比如超导需要低温，离子阱需要真空。因此，超导、离子阱、硅量子点、中性原子、光量子、金刚石色心和拓扑等多种方案，研究取得一定进展，但仍未实现技术路线收敛。

目前采用最多的技术路线是超导，Google和IBM都推出了53位的通用量子计算机，初创公司Rigetti在2018年8月更是宣布，计划在未来12个月内构建基于新芯片架构的128量子比特计算机。除此之外，中科大、清华大学等量子研究团队也积累了相关技术。

半导体（硅量子点）技术路线同样竞争激烈，Intel在五年前宣布研究基于硅量子点的量子计算机，终于在2020年推出了Horse Ridge量子控制芯片。澳大利亚新南威尔士大学从事硅量子计算机研究超过20年，在2019年提出了全球首款3D原子级硅量子芯片架构。

相比之下，霍尼韦尔在离子阱领域面临的竞争要小得多。直到今天，研究离子阱量子计算的公司也只有霍尼韦尔和IonQ两家。虽然只是一家初创公司，但IonQ的实力不容小觑，其创始人Chris Monroe研究离子阱计算机已经超过20年。

上世纪90年代，Monroe在诺贝尔奖获得者David Wineland的NIST小组工作，领导小组演示了第一个量子逻辑门，并利用捕获原子进行了第一个可控量子位演示。

2000年，Monroe成为密歇根大学物理和电子工程系教授，在那里他率先使用单光子耦合原子间的量子信息，并演示了集成在半导体芯片上的第一个电磁原子陷阱，因此获得了美国物理学会的I.I.Rabi奖。

2007年，Monroe加入马里兰大学，他的团队研究了超快激光脉冲在快速量子纠缠操作中的应用，率先将捕获离子用于与量子磁有关的许多体模型的量子模拟。2016年，Monroe被选为美国国家科学院院士。

IonQ的另一位创始人则是杜克大学的教授Jungsang Kim，多年来一直在研究离子阱量子计算机。虽然IonQ的研发团队只有30多人，背后却有马里兰大学和杜克大学强大的科研支持。

从研究团队来看，霍尼韦尔展现了它的实力，目前已有一个由100多名科学家、工程师和软件开发人员组成的团队。

但在霍尼韦尔的团队中，没有一个典型的代表人物，量子解决方案业务总裁Uttley并没有研究量子计算方面的经验。不知是否出于保密的原因（有军方关系），我们没有在霍尼韦尔找到跟Monroe一个级别的科学家。

而且，相比于其他科技巨头，霍尼韦尔似乎更像是闭门造车。Google在2014年就与加州大学圣芭芭拉分校合作研究量子计算机，其他公司要么与高校或研究机构合作，要么是高校孵化出的企业。IBM更是建了一个全世界最大的量子产业联盟IBM Q Network，目前已有100多家成员企业和研究机构。

但这并不能阻止霍尼韦尔在量子计算领域的野心，该公司预计在未来五年内，其量子计算机的性能每年将提升10倍，这意味着到了2025年，霍尼韦尔量子计算机的计算速度将提高10万倍。远超IBM提出的目标，即每年将计算速度提升一倍。

霍尼韦尔宣布未来三个月将推出史上最强的量子计算机，且不论底气从何而来，通过“期货”的方式推出量子计算机，也难免遭到同行的质疑。要知道，Rigetti公司曾在2018年8月宣布12个月造出128量子比特计算机，至今仍毫无音讯。

这次霍尼韦尔能否兑现承诺？拭目以待！