制造量子比特的方法不止一种
FUTURE | 远见
FUTURE | 远见 闵青云 文
量子计算机的核心是量子比特。
科学家们正在探索各种制造量子比特的方法。最终可能多种方法都会存在。
构建量子计算机的目标是利用量子物理学的怪癖来解决某些问题，速度远远快于传统计算机。
这些有趣的特性包括叠加（处于混合状态的能力，1 和 0 的线性组合）和纠缠（多个量子比特分享一个共同的量子态）。两者似乎都很难获得。幸运的是，大自然提供了很多选择现成的量子比特，工程师们还设计了更多。
研究人员正在探索六种以上实现量子比特的方法，目前重点关注的有超导量子、离子阱、光量子。
离子阱
离子（失去一个或多个电子的原子）在 1990 年代中期实验性量子计算的曙光中作为一个有前途的量子比特平台出现。事实上，有史以来第一个量子比特是由一个铍离子制成的。
离子是天然的量子物体：它们剩余电子的两个离散能级可以表示 0 或 1；这些能级很容易被激光控制；并且由于离子是带电的，它们很容易被电磁场固定在适当的位置，不需要发明太多新的工具来捕获离子，现有技术可以处理它。
捕获的离子的另一个好处是它们能对抗量子比特最大克星：信息丢失。量子态是脆弱的，只有当量子比特不与任何东西相互作用时，叠加态才会存在。一个杂散的原子或一个意想不到的光子可以使量子态崩溃。在物理学中，这一现象被称为量子比特的退相干。退相干是任何量子信息技术的丧钟。
杜克大学电气工程师 Kenneth Brown 说：「我们想要一个可以操纵它的环境，因为我们想要进行计算，但环境不会对它进行太多的影响。」
捕获的离子符合这两个特点，它们既能被操作，又比较稳定。因为，它们保存在黑暗的真空中，与环境的相互作用很低。
由于这种稳健性，捕获的离子表现出任何量子比特技术中最低的错误率。但是当离子数目增长时，困难便出现了。添加更多离子会使控制它们的激光器更难挑出与哪一个离子作用。扩大到更多的量子比特意味着需要大量辅助技术，如真空系统、激光和电磁陷阱，以配合使用。
市场上最大的离子阱量子计算机是由 IonQ 制造的 32 量子比特机器，总部位于马里兰州大学公园。但是量子工程师想要拥有数百甚至数千个量子比特的机器。
超导量子
在俘获第一个离子量子比特几年后，研究人员制造了第一个在超导电路中实现的量子比特，其中电流围绕蚀刻在芯片上的微观电路来回振荡。
当冷却到仅比绝对零度高百分之几度的温度时，振荡器电路可以表现为量子物体：调谐到正确频率的电磁波可以将电路置于两个不同的能级之一，对应于一个量子 1 或 0。后续的操作可以引导它进入这两种状态的叠加。
SLAC 美国国家加速器实验室的物理学家 Paul Welander 说：「它们是制造量子计算机的一条非常有前途的途径」，因为它们可以在微芯片上制造。「而微细加工是我们在半导体行业长期以来一直在做的事情。」
利用制造计算机芯片的技术，制造商可以在大晶片上制造超导电路。
超导电路的优点是「能够制造一个直径为数百微米的设备，但它的行为就像一个原子，」 Welander说。
工程师获得了原子的所有量子特性，但能够通过调整电路参数来设计和定制其特性。
这些电路也非常快，只需几纳秒即可完成计算中的每一步。而且因为它们是电路，所以可以设计它们以满足工程师的需求。
超导量子比特已经在最大的通用量子计算机中找到了归宿。最大的由 IBM 于 2021 年 11 月推出，包含 127 个量子比特。该芯片是该公司在 2022 年制造 433 量子比特处理器的目标迈出的一步，下一步是到 2023 年制造出 1121 量子比特的机器。
但是超导电路也要与退相干作斗争。
「一个超导量子比特由很多很多原子组成的」，韦兰德说。
这为出错提供了充足的机会——当尝试一次大规模生产数百万个量子比特时，对材料和制造工艺提出了一个特别棘手的挑战。
材料界面尤其成问题。例如，金属电极很容易氧化。「现在我们在表面有一个不受控制的状态，」韦兰德说，这可能导致量子态的退相干和信息的丢失。
另一个缺点是超导电路必须保持寒冷，在略高于绝对零的温度下徘徊。这需要极端制冷，这对将超导量子计算机扩展到数千或数百万个量子比特提出了挑战。
中性原子及光子
虽然这两种量子比特技术可能是最著名的，但它们并不是唯一的可能性。
研究人员还在探索用电中性原子制造量子比特，使用激光而不是电磁场来捕获。「中性原子是最自然的量子比特候选者，」哈佛大学物理学家米哈伊尔·卢金 (Mikhail Lukin) 说。
像离子一样，中性原子可以与环境隔离并在很长一段时间内保持相干。相对于用电磁场控制离子，现代激光技术为科学家提供更灵活的方式来操作中性原子。中性原子可以组织成许多不同的 2D 模式，提供更多连接原子和纠缠它们的方法，从而产生更有效的算法。
Lukin 及其同事最近使用中性原子推出了一款 256 量子比特的专用量子计算机，称为量子模拟器，是同类产品中最大的，并计划在未来两年内建造一个 1000 量子比特的模拟器。
可能的量子比特列表还在继续。光子、半导体、分子——这些方法都很有潜力。其中光子组成的光量子比特是近期的热点。
尽管有所有这些选择，但没有明确的赢家。目前尚不清楚什么可以扩展到 1000 量子比特或更高。甚至不确定是否只有一种最佳方法。
「我们仍处于狩猎和寻找模式，」韦兰德说。对于量子计算，「它实际上可能最终成为某种混合体」，使用多种量子材料和系统。
也许单个量子处理器将使用与中性原子一起工作的超导量子比特，这可能会与使用基于光子的量子比特的其他量子处理器通信。
最后，是什么造就了「最好的」量子比特取决于如何使用量子比特：用于量子计算的好的量子比特可能不同于用于量子传感的好的量子比特或用于量子通信的好的量子比特，Heremans 说。
超越物理学
很明显，量子比特的进步不仅仅是一个物理问题。「它需要广泛领域的专业知识，」从材料科学到化学和电气工程，Welander 说。
需要注意的不仅仅是量子比特本身。量子比特需要大量支持技术——真空系统、低温技术、激光、微波组件、电缆嵌套——所有这些都需要同步工作才能构建一个量子处理器。
在许多方面，量子计算机所处的位置是 1950 年代和 60 年代数字计算机所处的位置。当时，研究人员也在寻找合适的技术来表示 1 和 0，并执行任何计算所需的逻辑操作。笨重的真空管让位于更紧凑的晶体管；锗晶体管屈服于性能更好的硅晶体管；集成电路让工程师可以将许多晶体管和支持电子设备安装到单个硅晶片上。
为了让量子计算充分发挥其潜力，量子比特仍然需要正确的技术。「有很多领域，感兴趣的人可以插手并产生影响，」韦兰德说。
原文链接: https://www.symmetrymagazine.org/article/more-than-one-way-to-make-a-qubit
作者：Christopher Crockett
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