ColdQuanta：将冷原子进行到底
摘要：量子前哨与中关村产业研究院联合创作，针对全球范围内的量子信息科技，尤其是量子计算产业化方面的国家政策、技术脉络、活跃企业以及知名科学家等内容，进行系统性的介绍，以飨读者。这是此系列文章的第二十篇。
ColdQuanta是一家美国量子初创公司，是冷原子量子技术的领导者。公司主要业务板块分为三个部分：量子计算、设备和机器，以及量子研究即服务（Quantum Research-as-a-Service）。
潜心研究15年后，这家2007年正式成立的公司在各业务板块均取得显著成果，其中量子计算板块将在2021年底推出希尔伯特（Hilbert）1.0，一个基于云的100量子比特量子计算机；设备和机器板块为量子计算公司和量子实验室环境供应硬件组件产品，包括激光冷却用真空室和光学组件等；量子研究即服务板块支持政府和企业开发量子惯性传感、量子射频接收器和量子网络技术，包括将于2022年底推出的高精度原子钟原型。
ColdQuanta计划在2021年底同时开始进行三条业务线的产品商业化工作。
ColdQuanta量子计算机核心部分
（图片来源：ColdQuanta官网）
回顾ColdQuanta的发展历程，不难发现这家公司对于量子和冷原子技术均有着深刻的理解。公司的核心创始人Dana Anderson是亚利桑那大学（University of Arizona）量子光学博士，毕业后在加州理工大学（California Institute of Technology）深造时开始接触全息光学神经网络和惯性传感器，并随后在科罗拉多大学（University of Colorado）的研究生涯中将工作重点转向了冷原子惯性传感。
也是在这里，Dana和他的实验室同事Carl Wieman教授和Eric Cornell博士（2001年诺贝尔物理学奖得主）首次展示了冷原子通过中空光纤的引导。在量子光学和冷原子领域的多年深耕让Dana随后在美国天体物理联合实验室（JILA）的工作过程中实现许多重大突破，也奠定了后来ColdQuanta的核心技术基础。
在JILA，Dana团队一直专注于研究和控制超冷分子，在低至50毫微开尔文（nK）的温度下制造钾铷（KRb）分子气体，这是一种寿命长且创下最低温度纪录的分子气体，遵循量子力学的波动模式，而不是普通传统物理学严格意义上的粒子性质，将在设计化学和量子计算等领域产生重要影响。
ColdQuanta公司制造量子计算机的方法与此紧密关联，他们通过在二维阵列的激光网格中捕获铯原子，并将其置于超高真空单元中，创造出量子比特。通过用激光捕获原子，ColdQuanta公司能够将它们冷却到5微开尔文（microkelvin）以下的温度——基本上接近绝对零度。
用激光和微波脉冲被以一种方式排列这些原子，以创建门。原子也比超导创造的量子比特小，这意味着更多的原子可以被聚集在更小的区域内。据悉，这样的超高真空单元本身仅成人手掌大小，但随后集成量子计算机还需要加入各种激光器和电子装置，因此整机体积会扩大不少，但ColdQuanta表示他们正在努力将整机尺寸限制在一个19英寸标准机柜大小。
ColdQuanta与竞对比较
（图片来源：ColdQuanta官网）
相比于超导等技术路线，冷原子路线有明显的相对优势。首当其冲的便是冷原子量子计算机在室温下即可运行，ColdQuanta的技术路线使得他们利用激光即可达到低于稀释制冷机可制造的千倍以下的低温，没有了庞大的制冷机，也意味着100万个冷原子量子比特最终可以被放进一个边长为数毫米的区域里。除此之外，另一个明显的优势便是冷原子量子比特的可扩展性。
在ColdQuanta的量子计算机中，每个量子比特实际上就是一个铯原子，它们天然就是量子比特，且每一个铯原子都是绝对相同的，这意味着绝对的可扩展优势，对于ColdQuanta来说，制造100个量子比特和制造100万个量子比特是相同的工作，而不像超导路线明显受制造失误影响而难以扩展。足够低的温度和天然存在的量子比特不仅带来超强的稳定性和可扩展性，也给了冷原子量子计算机绝对的连接性优势，冷原子技术路线下，50到60个量子比特可实现连接，而在超导世界中，连接数仅是个位数。
冷原子技术另一项惊艳的吸引力在于其广泛的应用场景。不仅限于量子计算，冷原子在精确计时、精确导航或超精确射频传感方面也扮演着重要角色，ColdQuanta目前在于美国国防和情报政府部门广泛开展这方面的研究工作，在量子惯性传感、量子射频接收器和量子网络技术均取得突破性进展，公司计划于2022年底推出的一款高精度原子钟原型。而基于冷原子技术的量子计算机则将在优化、量子机器学习量子化学和材料科学、太空等多个领域大放异彩，例如，物流优化、频谱分配、数据中心异构计算等。
Hilbert商业机型示意图（图片来源：ColdQuanta官网）
在ColdQuanta看来，量子计算在商业世界的大放异彩将在10年内逐步到来，第一阶段便是量子计算在材料模拟等领域的优势验证，他们计划配合这一节奏，推出时代需要的量子计算机。ColdQuanta的第一台量子计算机Hilbert计划于2021年正式发布，这台设备将拥有121（11×11阵列）量子比特，单比特门保真度为99.1%，双比特保真度为95%。ColdQuanta表示，将在2024年前将比特数量扩展至1000量子比特，以迎接大规模量子应用时代的到来，并将支持99.99%保真度的纠缠门（双量子比特门），不断增强连通性和保真度，并逐步实现小型化。
不可否认，在实现目标的道路上ColdQuanta还将面临许多挑战，尤其是工程方面的困难，在极小的空间中操控如此大数量的量子比特绝非易事。但如公司首席商务官Lipman所说：“这些未来的挑战绝大多数都已存在解决方案，我们需要的是更多的时间、更多的专家以及更多的资金支持，现存问题总会得到解决。正如许多光量子领域的公司在做的一样，他们正在实现越来越多的突破，在从现在到可扩展的实用量子计算机之路上，还有众多诺贝尔奖级别的新突破将得以实现。”
ColdQuanta标语（图片来源：ColdQuanta官网）
绝对领先的领域专家让ColdQuanta的前景被寄予厚望，这正体现在政府和市场为其提供的所需支持上。2019-2020年间ColdQuanta分别从DARPA, NASA和美国军方获得共计380万美元的资金支持，用于推进开发用于量子位(包括原子钟)、量子射频探测器和量子通信系统的冷原子技术。
2020年4月，ColdQuanta从美国国防高级研究计划局(DARPA)获得了740万美元的合同，开发可扩展的、以冷原子为基础的量子计算硬件和软件平台，一个月后被美国国防部高级研究计划局(DARPA)提名为四个参与其嘈杂中等规模量子(ONISQ)设备第一阶段优化的组织之一。人才和资金支持到位，现在需要做的便是等待，或许足够的时间之后，便是ColdQuanta让量子成为现实之时。
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