超导和离子阱之争，愈演愈烈

光子盒研究院出品

霍尼韦尔量子计算机中的离子阱

一种制造量子计算机的技术，长期以来一直被大公司排挤在一边，现在却势头正盛。在过去的十年里，量子计算已经从学术研究转向了大公司，人们关注的焦点主要集中在一种方法上，即IBM和Intel等科技巨头所采用的微型超导回路。谷歌去年宣称他们通过超导量子计算机实现了“量子优势”，量子机器首次执行了超越最佳经典计算机实际能力的特定计算。但是，另一种方法，即利用电场中捕获的离子，在制造商业量子计算机的过程中越来越有吸引力。

今年早些时候，技术和制造公司霍尼韦尔（Honeywell）推出了第一台量子计算机，它使用捕获的离子作为量子比特的基础，该公司已经悄无声息地研究了十多年。霍尼韦尔是第一家走这条路线的老牌公司。今年10月，该公司推出了一款升级版的机器，并计划扩大规模。

10月，马里兰大学的分拆公司InoQ宣布了一种离子阱机器，可以证明与IBM或谷歌的机器竞争，尽管该公司尚未公布其性能的细节。其他较小规模的公司——如总部位于英国的Universal Quantum公司和奥地利因斯布鲁克的Alpine Quantum Technology公司——也在为离子阱项目吸引投资。

离子阱量子计算机远非新生事物：早在人们使用超导回路之前，离子阱就是1995年第一个基本量子电路中量子比特的基础。20多年过去了，美国国家标准与技术研究院（NIST）的量子物理学家Daniel Slichter说，把所有的构件组装在一起以构建可行的商业系统的努力“现在有点火爆”。

霍尼韦尔在真空室中的离子阱

“现在人们将‘离子阱’和‘超导’相提并论，而他们甚至在五年前也没有这么说。”Chris Monroe说，他是马里兰大学的物理学家，在1995年参与了这项实验，也是IonQ的联合创始人。量子计算仍处于起步阶段，尽管许多公司都在争相宣称他们的量子计算机是最先进的，但现在说哪种类型的硬件(如果有的话)将占优势还为时过早。随着公司采用一系列技术，这个领域比以往任何时候都要广泛。

谁是最好的？

长期以来，实验室一直在竞相制造具有最多量子比特的量子计算机。但赫尔辛基大学的量子物理学家Sabrina Maniscalco说，判断哪一台机器最强大是不容易的，她说：“性能的衡量标准不止一个。”

今年6月，霍尼韦尔（Honeywell）宣称已经制造出了世界上以“量子体积”衡量的最强大的量子计算机。这个指标考虑了系统的量子比特数、连接性、噪声和错误率，这些都反映了它可以解决的问题的复杂性。这台机器的量子体积为64，是当时领先的IBM设备的两倍。Maniscalco说，作为一种比较工具，量子体积比仅仅根据量子比特的数量来判断要好，但仍然是一个相当粗略的度量。

美国国家科学基金会计算机科学理事会负责人Margaret Martonosi说，作为衡量设备相对性能的另一种方法，正面比较并不总是有效的，因为任何计算机的性能都取决于执行的任务。她补充道，在不知道关键特性将如何扩展的情况下，原型机的性能几乎无法告诉我们全尺寸版本的强大功能。

加州奥兰治县（Orange County）的计算机科学家Doug Finke经营着行业跟踪网站Quantum Computing Report。他说，在使用任何衡量标准时，企业都应该谨慎行事，不要做出夸大的声明。霍尼韦尔断言它的机器是最强大的还为时过早，因为很少有开发者使用量子体积。今年10月，IonQ首次正式使用这一指标，他们预计他们最新的机器的量子体积将达到400万，如果得到证实，将超过霍尼韦尔的记录。

另一个衡量指标是量子计算机在一个问题上击败经典机器的能力——谷歌去年使用54位的机器就做到了这一点。对Finke来说，在一个有商业价值的问题上实现这种“量子优势”是“衡量量子计算机成功的真正标准”。

离子阱的利弊

在过去的几年里，超导回路的快速发展有可能将离子阱留在尘埃中。谷歌、IBM和其他公司已经开发出了大约50个或更多高质量量子比特的机器。IBM的目标是到2023年拥有一台1000比特的机器。加州大学圣塔巴巴拉分校的量子物理学家John Martinis认为，谷歌将使用与实现量子优势相同的基本架构来实现纠错，这是下一个重大里程碑。

到目前为止，由于超导量子比特的基本组件与经典芯片技术兼容，许多公司都对其感到熟悉。但是赫尔辛基大学的量子物理学家Sabrina Maniscalco说，离子阱量子比特在电场中单个带电原子的能级中存储信息，有许多固有的优势。与超导量子比特相比，它们的操作更不容易出错，单个离子的精细量子态持续的时间也更长，超导量子比特虽然很小，但仍然由大量的原子组成。此外，超导量子比特往往只与最近的邻居相互作用，而囚禁离子可以与许多其他离子相互作用，这使得进行一些复杂的计算变得更容易。

但纽约量子软件公司Turing的创始人Michele Reilly说，囚禁离子也有缺点：它们在相互作用方面比超导量子比特慢，这在解释系统产生的实时错误时非常重要。单个离子阱中可以容纳多少离子并使其相互作用是有限制的。IonQ最新的模型包含32个囚禁离子，它们囚禁在一个链中；使用激光“拨动”任意两个会使它们相互作用。为了扩展到数百个量子比特，该公司正在研究如何使用光子将多个量子比特链连接起来。该公司的目标是每年将量子比特的数量翻一番。

霍尼韦尔量子计算机控制室

与此同时，霍尼韦尔计划将每一个离子通过物理方式穿梭在一个巨大的芯片上实现互连——这个想法最初是在20世纪90年代末在NIST提出的。霍尼韦尔量子解决方案（HQS）部门的最新系统名为H1，仅由10个量子比特组成，但其首席科学家Patty Lee说，该公司已经在进行下一次迭代。HQS总裁Tony Uttley表示，在未来5年内，该团队计划连接约20个量子比特，这将使该机器能够解决经典机器无法解决的问题。

挑战在于保持量子比特的质量和精度，同时控制几十个甚至几百个——霍尼韦尔和IonQ都还没有证明他们能做到。荷兰代尔夫特理工大学的理论物理学家Barbara Terhal说，尽管许多必要的组成部分已经被单独掌握，但“我们需要的是一种系统级的综合方法，把所有的组件组合起来，测试它，解决它的问题。”

没有明确的胜利者

离子阱硬件并不是唯一吸引大量投资的设备。Slichter说，超导量子比特的成功为各种技术打开了大门，其中包括硅基自旋量子比特，它在嵌入硅晶体中的原子的核自旋状态下存储量子信息。这项技术经历了一次变革，Martinis在9月份加入了澳大利亚悉尼的硅量子计算（Silicon Quantum Computing）公司，这是他近20年来第一次离开超导系统。Martinis不在乎哪种设计最终获胜。“我想帮助某人建造第一台量子计算机。不一定非得是我（或）和我一起工作的任何人。”

Maniscalco说，这场比赛还远未结束，胜利者可能永远不会出现。“可能没有一个成功的单一平台，但我们有一个混合或能够执行不同的任务的平台。”

原文：

https://www.nature.com/articles/d41586-020-03237-w

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