量子计算竞赛：中性原子异军突起

光子盒研究院出品

建造实用量子计算机的竞赛可能正在进入一个新阶段。一些领先的技术现在正面临着规模的限制，而其他技术正在迅速追赶。

多年来，两种领先的方法使物理学家能够取得进展，部分原因是用越来越多的量子比特（相当于计算机内存比特的量子）塞进设备。其中一种方法将量子比特编码为在超导环路上运行的电流。另一种方法是利用被电磁场困在真空中的单个离子的激发状态。

IBM的量子计算系统的中心有一个低温箱来冷却量子芯片。Credit: IBM

荷兰代尔夫特理工大学量子研究机构QuTech的理论物理学家Barbara Terhal说：“超导量子比特和捕获离子量子比特已经做了最先进的实验，有最多的量子比特被控制。然而，这并不能保证这些平台会一直处于领先地位。”

对量子比特的要求

量子计算机有望通过利用量子叠加等现象来解决经典机器无法解决的问题，在这种情况下，一个物体可以同时存在两种状态：既顺时针又逆时针旋转。物理学家将这种状态称为量子比特，以区别于普通比特，后者只能是0或1。

量子态是出了名的脆弱。在量子计算机中，它们所携带的信息可以扩展到几个量子比特以形成“纠缠”状态：往往会在计算过程中退化或丢失。为了尽可能长时间地保存这些状态，量子比特必须与环境隔离。但它们之间不能过于隔离，因为它们必须相互作用以进行计算。

这一点使得建立一个有用的量子计算机具有挑战性。但该领域取得的进展比QuTech公司研究总监Lieven Vandersypen十年前的预期要更进一步：“进展实际上是令人印象深刻的。”

谷歌在2019年成为头条新闻，它声称一台由54个超导量子比特组成的机器首次进行了量子计算，而这种计算在经典计算机上会花费不可能的时间，这一成就被研究人员称为量子优势。在超导量子比特方面投入巨资的技术公司IBM预计在未来几个月内达到一个里程碑，届时它将推出一个名为Condor的量子芯片，这是第一个突破1000量子比特的障碍。

去年11月，该公司宣布了其上一款芯片：433比特的Osprey，这是127比特的Eagle的后续产品，后者在2021年创下了记录。“我们真的想制定一个路线图，就像对半导体行业的期望一样。”Jerry Chow表示道，他在纽约约克敦高地的IBMThomas J. Watson研究中心领导量子计算机计划。

量子比特的质量、数量

Chow表示，IBM的目标不仅是扩大量子比特的数量，而且还要提高其质量。他说，该公司的一些超导元件可以保持其量子状态超过300微秒，这是一项技术的记录。在另一项关键措施中，涉及两个量子比特的99.9%的操作现在是没有错误的。

一旦芯片上的超导量子比特的数量远远超过1000个，扩大规模就变得不切实际了，因为每个量子比特都需要单独与外部电路连接，以进行控制和读出。因此，IBM将采取模块化的方法。从2024年开始，其路线图上的每一步都不是为了增加芯片上的量子比特数量，而是为了将多个芯片连接到一台机器上；如果连接必须不受伤害地携带量子状态或帮助纠缠不同芯片上的量子比特，这就不是一件简单的事情。这些芯片是包裹在低温系统中的巨大装置的核心，该系统使芯片接近0开尔文。

捕获离子计算机可能比超导计算机有更严格的尺寸限制，部分原因是它们需要一个单独的激光装置来控制每个离子。通常情况下，这意味着将陷阱限制在每块芯片约32个离子的行列中。但是IonQ——一家从马里兰大学学院帕克分校分离出来的初创公司，说它的方法使它能够将多排离子装入一个芯片，也许可以达到1024个量子比特。为了超越这个目标，IonQ还计划采用模块化方法，连接多个芯片。

该公司发言人称，在实验室实验中，捕获离子的保真度已高达99.99%。

光镊技术捕获中性原子

另一项技术可能很快也会突破1000个量子比特的障碍：它使用被称为“光镊”的紧密聚焦的激光束来捕获中性原子，并在原子的电子状态或原子核的自旋中编码量子比特。哈佛大学的物理学家Giulia Semeghini说，这种方法已经逐步发展了十多年，但现在它正在“蓬勃发展”。

为了组装多个量子比特，物理学家将一束激光分成许多束，例如将其穿过一个由液晶制成的屏幕。这可以创造出由数百个光镊组成的阵列，每个光镊都捕获自己的原子。这些原子通常离它们的邻居只有几微米的距离，在那里它们可以在量子状态下持续几秒钟或更长时间。为了使原子相互作用，物理学家将一个单独的激光器指向其中一个原子，使其进入激发状态，在这种状态下，外部电子的轨道比正常情况下离原子核更远。

这促进了该原子与邻近原子的静电相互作用。

利用光镊，研究人员已经建立了由200多个中性原子组成的阵列，他们正在迅速结合新的和现有的技术，将这些原子变成完全工作的量子计算机。

该技术的一个主要优势是，物理学家可以将多种类型的镊子（其中一些可以快速移动）与它们携带的原子结合起来。哈佛大学物理学家Dolev Bluvstein说：“每次你想让它们中的两个相互作用时，你就把它们放在一起。这使得该技术比其他平台（如超导体）更加灵活，在超导体中，每个量子比特只能与芯片上的直接邻居互动。包括Semeghini和Bluvstein在内的一个团队在2022年4月的一篇论文中展示了这种灵活性[1]。”Semeghini表示，基于光镊的量子比特应该很快就能实现99%的容错阈值，尽管进一步的改进将需要大量的工作。

中性原子的改进速度让量子计算界感到惊讶。中国科学技术大学的物理学家陆朝阳说：“扩展到数千个原子量子比特的道路是明确的，并可能在两年内实现。”

自旋量子比特

其他量子比特技术仍处于起步阶段，但正在稳步推进。

一种方法是将信息编码在传统半导体（如硅）内被电场捕获的单个电子的自旋中。去年，Vandersypen和他的合作者展示了这种完全工作的六量子比特机器[2]。与光镊的情况一样，电子的自旋可以在设备中穿梭，以便根据需要将它们带到其他电子旁边。但是，就像其他类型的量子比特一样，一个主要的困难是如何防止电子自旋在它们不应该影响的时候相互影响，也就是物理学家所说的串扰。

基于半导体的量子比特的好处是能够在目前生产计算机芯片的同一类型的工厂中制造芯片，由澳大利亚悉尼新南威尔士大学的物理学家Michelle Simmons领导的团队使用自动扫描隧道显微镜的尖端正逐个组装设备。她说：“所有的东西都是以亚纳米级的精度来设计的。”

还有一种方法仍然处于概念阶段，但它已经得到了大量的投资，特别是微软。该技术旨在利用“拓扑状态”使量子比特对退化具有鲁棒性，就像一根打了结的绳子，可以扭动和拉动，但不能解开。2020年，研究人员观察到一种拓扑保护的基本物理机制，他们现在正致力于展示第一个拓扑量子比特。

“今天追求的每一个平台都有一些希望，但开发它可能需要真正新颖的想法，我们无法预测。”Vandersypen说。在中国科学技术大学从事多种量子计算方法研究的物理学家潘建伟同意这个观点，并表示，当谈到开发量子计算机的竞赛时，“现在说哪种候选路线会赢还为时过早。”

参考链接：

[1]https://www.nature.com/articles/s41586-022-04592-6

[2]https://www.nature.com/articles/s41586-022-05117-x

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