作為一個(gè)熱門概念，我們經(jīng)常聽到量子計(jì)算又有新突破的消息。但很少人清楚，今天的量子計(jì)算技術(shù)究竟走到了哪一步？到底有多少種實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的方式？本文將對(duì)這兩個(gè)問題進(jìn)行全面梳理，介紹如今各技術(shù)流派的發(fā)展，以及各科技巨頭的研究情況。

　　堅(jiān)持囚禁離子技術(shù)的量子計(jì)算公司

　　美國量子計(jì)算機(jī)初創(chuàng)企業(yè) ionQ 有三位核心成員：馬里蘭大學(xué)物理學(xué)家 Chris Monroe，杜克大學(xué)電氣工程師 Jungsang Kim， 以及原本供職于美國情報(bào)部門 IARPA（“高級(jí)研究計(jì)劃署”）的 David Moehring。其中，前兩位是公司創(chuàng)始人，是研究囚禁離子（trapped ions）的專家。而 David Moehring 是他們雇來的 CEO。

　　今年九月，這三位還在馬里蘭大學(xué)討論量子計(jì)算的前景，包括為什么利用囚禁離子能制造出理想的量子計(jì)算機(jī)––它有完美的再現(xiàn)性（reproductivity），長生命周期，不錯(cuò)的激光可控性。

　　這三人有一個(gè)共同觀點(diǎn)：量子計(jì)算的黃金時(shí)代即將到來。它將利用量子力學(xué)，為電腦運(yùn)算帶來指數(shù)級(jí)得巨幅加速。持同樣觀點(diǎn)的不僅僅有他們。科技巨頭英特爾、微軟、IBM，谷歌都在向量子計(jì)算投入千萬美元的研發(fā)資金。但是，他們?cè)趯?duì)不同的量子計(jì)算技術(shù)下賭注–––沒有人知道，采用哪種量子比特（qubit）能造出有實(shí)用價(jià)值的量子計(jì)算機(jī)。

　　圖表：量子計(jì)算五大技術(shù)流派

　　被看做是量子計(jì)算領(lǐng)域領(lǐng)頭羊的谷歌，已經(jīng)做出了選擇：極小的超導(dǎo)電路。谷歌已制造出 9 量子比特的機(jī)器，并計(jì)劃明年增加至 49 量子比特。這是一個(gè)極為關(guān)鍵的門檻。學(xué)者預(yù)計(jì)，在 50 量子比特左右，量子計(jì)算機(jī)就能達(dá)到“量子霸權(quán)”（quantum supremacy）。這是加州理工學(xué)院物理學(xué)家 John Preskill 發(fā)明的名詞，用來指示“量子計(jì)算機(jī)在一些領(lǐng)域有傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)所不具有的能力”，比如在化學(xué)和材料學(xué)里模擬分子結(jié)構(gòu)，還有處理密碼學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)的一些問題。

　　IonQ 團(tuán)隊(duì)并沒有因谷歌的成功而氣餒。Jungsang Kim 說：“我不認(rèn)為谷歌能在下個(gè)月宣布成功研制量子計(jì)算機(jī)。退一步講，即便他們成功了，游戲也不會(huì)結(jié)束。” IonQ 堅(jiān)持使用囚禁離子，它是世界上第一個(gè)量子邏輯門背后的技術(shù)。那是一個(gè) 1995 年完成的項(xiàng)目，Chris Monroe 是參與者之一。使用精確調(diào)整的激光脈沖，Monroe 能把離子打入持續(xù)數(shù)秒的量子態(tài)， 這遠(yuǎn)超谷歌的量子比特。Jungsang Kim 開發(fā)了一個(gè)把不同離子群連接到一起的模塊化方案。如該方法奏效，ionQ 就能快速擴(kuò)大量子比特的規(guī)模。但直到現(xiàn)在，他們只成功地把五個(gè)量子比特加入到可編程設(shè)備中。

　　Chris Monroe 承認(rèn)，現(xiàn)在很多人把囚禁離子看作是“害群之馬”，但他堅(jiān)信，將來人們會(huì)蜂擁加入到囚禁離子陣營中。

　　是否會(huì)如此還很難說。但有一件事是肯定的：制造量子計(jì)算機(jī)已經(jīng)從科學(xué)家們的一個(gè)遙遠(yuǎn)的夢(mèng)想，變成了科技巨頭們想要立刻實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。ionQ 就是這浪潮中想要分一杯羹的參與者。雖然超導(dǎo)量子比特技術(shù)現(xiàn)在是行業(yè)領(lǐng)頭羊，專家們認(rèn)為，現(xiàn)在宣布超導(dǎo)量子比特的勝利，還為時(shí)過早。量子信息學(xué)非正式院長 Preskill 說：“不同的量子技術(shù)在同時(shí)發(fā)展，這是一件好事。因?yàn)楹芸赡軙?huì)有驚喜發(fā)現(xiàn)，然后帶來量子計(jì)算領(lǐng)域的革新。”

　　量子計(jì)算機(jī)憑什么超越傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)？

　　量子比特相比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)比特更強(qiáng)大，是由于兩個(gè)獨(dú)特的量子現(xiàn)象：疊加（superposition）和糾纏（entanglement）。量子疊加使量子比特能夠同時(shí)具有 0 和 1 的數(shù)值，可進(jìn)行“同步計(jì)算”（simultaneous computation）。量子糾纏使分處兩地的兩個(gè)量子比特能共享量子態(tài)，創(chuàng)造出超疊加效應(yīng)：每增加一個(gè)量子比特，運(yùn)算性能就翻一倍。比方說，使用五個(gè)糾纏量子的算法，能同時(shí)進(jìn)行 25 或者 32 個(gè)運(yùn)算，而傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)必須一個(gè)接一個(gè)地運(yùn)算。理論上， 300 個(gè)糾纏量子能進(jìn)行的并行運(yùn)算數(shù)量，比宇宙中的原子還要多。

　　這種超大規(guī)模的并行計(jì)算，對(duì)于處理日常任務(wù)其實(shí)沒什么用。沒有人認(rèn)為量子計(jì)算機(jī)會(huì)顛覆文字處理和 email。但對(duì)于需要同時(shí)探索無數(shù)條路徑的算法，還有對(duì)海量數(shù)據(jù)庫的搜索，量子計(jì)算能極大地提高速度。它能被用來尋找新的化學(xué)催化劑，對(duì)加密數(shù)據(jù)的海量數(shù)字作因子分解（factoring），或許還能模擬黑洞和其他物理現(xiàn)象。

　　但有一個(gè)主要的陷阱––量子疊加和糾纏狀態(tài)極度得脆弱，能被環(huán)境中的細(xì)微擾動(dòng)所打破，這包括了任何測(cè)量它們的嘗試。量子計(jì)算機(jī)需要被保護(hù)起來，與耶魯大學(xué)物理學(xué)家 Robert Schoelkopf 描述的“汪洋般的混亂”（a sea of classical chaos）隔離開來。

　　雖然量子計(jì)算的理論在 1980 年代就開始出現(xiàn)，直到 1995 年才有了第一次實(shí)驗(yàn)。貝爾實(shí)驗(yàn)室的數(shù)學(xué)家 Peter Shor，向人們展示量子計(jì)算機(jī)可以對(duì)大量數(shù)字快速因子分解––若能實(shí)現(xiàn)，這會(huì)使現(xiàn)代密碼學(xué)的大部分發(fā)明過時(shí)。Peter Shor 和其他人還展示了，若使用臨近量子比特修正錯(cuò)誤，讓脆弱的量子比特永遠(yuǎn)保持穩(wěn)定狀態(tài)在理論上是可能的。

　　頓時(shí)，物理學(xué)家和他們的資助者相信，量子計(jì)算機(jī)未必會(huì)出現(xiàn)一大堆運(yùn)算錯(cuò)誤，他們有了充足的理由去嘗試造一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)。那時(shí)，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?wù)撸?NIST（美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院）工作的 David Wineland 已經(jīng)開始了對(duì)使用激光冷卻離子、并控制他們內(nèi)在量子態(tài)的研究。ionQ 的創(chuàng)始人 Chris Monroe 那時(shí)就在 NIST 工作，他與 David Wineland 一起造出了第一個(gè)量子力學(xué)邏輯門，使用激光控制鈹離子的電子態(tài)。有著和 Wineland 研究離子的經(jīng)驗(yàn)，Chris Monroe 表示，成為早期量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)領(lǐng)頭羊的機(jī)會(huì)，落在了他們手中。

　　科技巨頭們的量子計(jì)算研究進(jìn)展

　　超導(dǎo)技術(shù)

　　在全世界，成百上千萬的政府研究資金正流入量子物理學(xué)中。隨著研究深入，其他形式的量子比特浮現(xiàn)出來。2010 年開始，囚禁離子技術(shù)遭遇了強(qiáng)大的挑戰(zhàn)者： 超導(dǎo)體制成的電流回路。其中，超導(dǎo)體是由接近絕對(duì)零度時(shí)、攜帶無電阻振蕩電流的金屬物質(zhì)組成。量子比特的 0 和 1 由不同的電流強(qiáng)度表示。該技術(shù)有許多吸引人的優(yōu)點(diǎn)：1. 電流回路可以被肉眼觀察到。 2. 使用簡單的微波儀器就能控制，不需要對(duì)操作要求苛刻的激光。3. 使用傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)芯片制造技術(shù)就能生產(chǎn)。 4. 運(yùn)轉(zhuǎn)速度非常快。

　　但是，超導(dǎo)技術(shù)有一個(gè)致命缺陷：環(huán)境噪音。即使是控制設(shè)備的噪音，也能在遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足一微秒的瞬間擾亂量子疊加。如今工程技術(shù)的優(yōu)化，已使電路的穩(wěn)定性提高了近百萬倍，所以量子疊加狀態(tài)可以維持?jǐn)?shù)十微秒，但這仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如離子。

　　D-Wave和量子退火

　　2007 年，加拿大初創(chuàng)公司 D-Wave Systems 宣布，他們使用 16 個(gè)超導(dǎo)量子比特成功制成量子計(jì)算機(jī)。這震驚了世界。但是 D-Wave 的機(jī)器并沒有使所有的量子比特發(fā)生糾纏，并且不能一個(gè)量子比特接著一個(gè)量子比特得編程（be programmed qubit by qubit），而是另辟蹊徑，使用了一項(xiàng)名為“量子退火”（quantum annealing）的技術(shù)。該技術(shù)下，每個(gè)量子比特只和臨近的量子比特糾纏并交互，這并沒有建立起一組并行計(jì)算，而是一個(gè)整體上的、單一的量子狀態(tài)。D-Wave 開發(fā)者希望把復(fù)雜的數(shù)學(xué)問題映射到該狀態(tài)，然后使用量子效應(yīng)尋找最小值。對(duì)于優(yōu)化問題（比如提高空中交通效率的）來說，這是一項(xiàng)很有潛力的技術(shù)。

　　但批評(píng)者們立刻指出：D-Wave 并沒有攻克許多公認(rèn)的量子計(jì)算難題，比如錯(cuò)誤修正（error correction）。包括谷歌和洛克希德馬丁在內(nèi)的幾家公司，購買并測(cè)試了 D-Wave 的設(shè)備，他們初步的共識(shí)是，D-Wave 做到了一些能稱之為量子計(jì)算的東西，而且，在處理一些特定任務(wù)時(shí)，他們的設(shè)備確實(shí)比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)要快。不論這到底算不算量子計(jì)算，D-Wave 把私營企業(yè)們震醒了。Chris Monroe 說：“D-Wave 確實(shí)打開了人們的眼界。他們讓大家意識(shí)到，量子計(jì)算機(jī)是有市場的，并且有強(qiáng)烈的需求。” 幾年內(nèi)，各個(gè)公司紛紛投入到與他們專業(yè)知識(shí)相關(guān)的各個(gè)量子計(jì)算領(lǐng)域中去。

　　英特爾和硅量子點(diǎn)

　　對(duì)量子計(jì)算最大的賭注恐怕來自英特爾：2015 年，它宣布將向荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的量子技術(shù)研究項(xiàng)目 QuTech 投資 5000 萬美元。英特爾專注于硅量子點(diǎn)技術(shù)（silicon quantum dots），它經(jīng)常被稱作“人造原子”。一個(gè)量子點(diǎn)量子比特是一塊極小的材料，像原子一樣，它身上電子的量子態(tài)可以用 0 或 1 來表示。不同于離子或原子，量子點(diǎn)不需要激光來困住它。

　　早期的電子點(diǎn)用幾近完美的砷化鎵晶體制作，但研究人員們更傾向于硅，希望能利用半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的巨大產(chǎn)能。QuTech 技術(shù)負(fù)責(zé)人 Leo Kouwenhoven 說：“我認(rèn)為英特爾屬意于硅，畢竟那是他們最擅長的材料。” 但是基于硅的量子比特研究，大大落后于囚禁離子和超導(dǎo)量子技術(shù)。去年，澳大利亞新南威爾士大學(xué)的一只研究團(tuán)隊(duì)才完成兩個(gè)量子比特的邏輯門。

　　微軟和拓?fù)淞孔?/strong>