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                                           Chris Monroe在檢驗(yàn)設(shè)備。圖片來源：Cameron Davidson

       一個(gè)周日的下午，量子計(jì)算創(chuàng)業(yè)公司ionQ的兩位聯(lián)合創(chuàng)始人正和他們的首位受雇人——新CEO，開戰(zhàn)略會(huì)議。坐在美國(guó)馬里蘭大學(xué)的物理學(xué)樓里舒適的皮椅上，兩位創(chuàng)始人正體驗(yàn)著一絲文化碰撞。

       這兩位從事研究的科學(xué)家：馬里蘭大學(xué)物理學(xué)家Chris Monroe和杜克大學(xué)電子工程師Jungsan Kim很放松，甚至在記者面前大談公司規(guī)劃。他們列舉了為何選擇束縛離子，他們的專長(zhǎng)將有助于打造一臺(tái)偉大的量子計(jì)算機(jī)——完美的再現(xiàn)性、耐久性以及利用激光實(shí)現(xiàn)良好的可控性。

       而新CEO David Moehring是Monroe和Kim剛從美國(guó)IARPA雇來的，他更警覺。他警告Monroe和Kim不要泄露創(chuàng)業(yè)公司應(yīng)保密的信息——包括從風(fēng)投那里獲得的投資額。Kim對(duì)Moehring點(diǎn)著頭并輕笑。“在某個(gè)時(shí)點(diǎn)，這個(gè)家伙會(huì)要求我們的談話經(jīng)過他的許可?！?/span>

       黃金時(shí)代

       不過，這幾個(gè)看似不可能的合伙人都有一個(gè)共同的信念：量子計(jì)算已經(jīng)準(zhǔn)備迎來黃金時(shí)期。該技術(shù)旨在利用量子力學(xué)大幅加速計(jì)算。他們并非孤軍奮戰(zhàn)?？萍季揞^英特爾、微軟、IBM和谷歌正投入數(shù)千萬美元到量子計(jì)算。然而這些競(jìng)爭(zhēng)者正將賭注下給不同的技術(shù)黑馬：無人知曉驅(qū)動(dòng)一臺(tái)實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)需要什么類型的量子比特。

       谷歌常被視為這一領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊，該公司已經(jīng)宣布了其選擇：微型超導(dǎo)電路。其研究團(tuán)隊(duì)打造出一臺(tái)9量子比特的機(jī)器，并希望一年內(nèi)擴(kuò)展至49量子比特——這是一個(gè)重要門檻。在50量子比特階段，許多人認(rèn)為一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)就可以成為“量子霸權(quán)”。這是加州理工物理學(xué)家John Preskill創(chuàng)造的詞匯，以表示一臺(tái)可以完成超越傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的量子計(jì)算機(jī)，比如模擬化學(xué)和材料科學(xué)分子結(jié)構(gòu)或解決機(jī)器學(xué)習(xí)中的某些問題。

       ionQ團(tuán)隊(duì)并沒有被谷歌的成功所折服?！拔也⒉粨?dān)心谷歌會(huì)在下個(gè)月宣布游戲結(jié)束。”Kim說，“或者他們可以這么宣布，但游戲并未結(jié)束?！钡玦onQ有很多劣勢(shì)——沒有專門的辦公室，甚至還沒有網(wǎng)站。這家創(chuàng)業(yè)公司仍然在堅(jiān)持束縛離子，這也是世界上最早的量子邏輯門背后的技術(shù)，由Monroe本人在1995年親自幫助創(chuàng)造出來的。使用精準(zhǔn)調(diào)制的激光脈沖，Monroe可以將離子激發(fā)到可以維持?jǐn)?shù)秒的量子態(tài)——這比谷歌的量子比特維持時(shí)間長(zhǎng)多了。Kim已經(jīng)開發(fā)出了一個(gè)可以將離子群連接到一起的模塊化方案。

       到目前為止，其中最好的成績(jī)也不過是實(shí)現(xiàn)了5個(gè)量子比特的可編程機(jī)器。Monroe承認(rèn)：“束縛離子現(xiàn)在有點(diǎn)像怪物，但我認(rèn)為未來幾年人們會(huì)蜂擁而至?！?/span>

       有一件事是確定無疑的：打造一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)已經(jīng)不再是一些科學(xué)家的遙遠(yuǎn)夢(mèng)想了，而是成了一些最大型公司的直接目標(biāo)。盡管對(duì)產(chǎn)業(yè)界玩家而言，超導(dǎo)量子比特可能 已經(jīng)獲得了領(lǐng)先的發(fā)展勢(shì)頭，但相關(guān)專家都認(rèn)為現(xiàn)在要說哪種技術(shù)已獲勝還為時(shí)尚早?！斑@些技術(shù)在齊頭并進(jìn)地開發(fā)著，這是件好事?！盤reskill說，“還可能會(huì)有驚喜，并改變現(xiàn)在的局面?！?/span>

       快并脆弱

       量子比特能秒殺傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)比特得益于兩個(gè)獨(dú)特的量子效應(yīng)：量子疊加和量子糾纏。量子疊加能讓一個(gè)量子比特的值不單止于0或1，而是在同一時(shí)間同時(shí)具備這兩種狀態(tài)，這可以實(shí)現(xiàn)同步計(jì)算。量子糾纏能讓一個(gè)量子比特與空間上獨(dú)立的其他量子比特共享自身狀態(tài)，創(chuàng)造出一種超級(jí)疊加，每個(gè)量子比特的處理能力因此翻倍。理論上，只要300全糾纏的量子比特就能支持比宇宙中原子數(shù)量更多的平行計(jì)算。

       這種大規(guī)模并行可能在很多任務(wù)上并沒有價(jià)值——沒有人認(rèn)為量子計(jì)算機(jī)會(huì)徹底改變文字處理或電子郵件。但其可以極大地加速被設(shè)計(jì)用來同時(shí)探索大量不同路徑的算法，例如，大數(shù)據(jù)搜索和發(fā)現(xiàn)新型的化學(xué)催化劑。量子計(jì)算機(jī)也可以在物理學(xué)領(lǐng)域被用來模擬黑洞或其他現(xiàn)象。

       但還有很多工作要做。量子疊加態(tài)和糾纏態(tài)非常脆弱。來自環(huán)境的輕微擾動(dòng)就能將其破環(huán)——甚至對(duì)其進(jìn)行觀測(cè)就會(huì)破壞其狀態(tài)。量子計(jì)算機(jī)需要被保護(hù)起來，以免受耶魯大學(xué)物理學(xué)家Robert Schoelkopf所說的“經(jīng)典混沌之?！钡母蓴_。

       雖然相關(guān)理論在20世紀(jì)80年代初就開始萌芽，但實(shí)驗(yàn)量子計(jì)算直到1995年才得以發(fā)展。1995年，新澤西州貝爾實(shí)驗(yàn)室一位名叫Peter Shor的數(shù)學(xué)家，證明了運(yùn)用量子計(jì)算機(jī)能有效地進(jìn)行大數(shù)的因式分解，這種能力使得現(xiàn)代密碼學(xué)在量子計(jì)算機(jī)面前變得不堪一擊。Shor和其他一些學(xué)者也證明，從理論上說通過鄰近的量子比特來糾正錯(cuò)誤，一直保持脆弱量子比特的穩(wěn)定性是可能實(shí)現(xiàn)的。

       一時(shí)間，許多物理學(xué)家及其資助人也都開始研發(fā)量子計(jì)算機(jī)，并且表明這個(gè)機(jī)器不會(huì)變成一大堆級(jí)聯(lián)錯(cuò)誤。諾獎(jiǎng)得主、科羅拉多州博爾德國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所（NIST）物理學(xué)家David Wineland，率先提出了激光冷卻離子并控制其內(nèi)部量子態(tài)的方法。在Shor的研究發(fā)布之后不到一年，Wineland和當(dāng)時(shí)供職于NIST的Monroe就通過用激光控制鈹離子中的電子態(tài)的方法，建立了第一個(gè)量子機(jī)制邏輯門。Monroe說：“正是因?yàn)閃ineland在離子方面的研究，我們才能在早期的量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)中把握領(lǐng)先趨勢(shì)?！?/span>

       多管齊下

       隨著世界各地政府將大把經(jīng)費(fèi)投向量子物理研究團(tuán)體，其他一些類型的量子比特開始出現(xiàn)了。21世紀(jì)初，束縛離子的概念受到了另一個(gè)新概念的挑戰(zhàn)：由超導(dǎo)體制成的回路。這里所使用的超導(dǎo)體是一種帶有振蕩電路的金屬材料，其在冷卻到接近絕對(duì)零時(shí)沒有電阻。量子比特的0和1與不同的電流強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)?；芈吠ㄟ^肉眼便可以觀察，不需要用到激光，用簡(jiǎn)單的微波電子技術(shù)就可以控制，制作過程只需要使用常規(guī)的計(jì)算機(jī)芯片制造技術(shù)。此外，回路的運(yùn)行也非常快。

       但超導(dǎo)體有一個(gè)致命的弱點(diǎn)：環(huán)境噪音。即使是用來控制它們的電子設(shè)備，都能在不到一微秒內(nèi)打亂其量子疊加態(tài)。但工程技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)將回路的穩(wěn)定性提高了至少100萬倍，所以現(xiàn)在它們保持疊加態(tài)的時(shí)間可以達(dá)到幾十微秒，雖然維持時(shí)間仍比離子短得多。

       2007年，加拿大本那比D-Wave Systems公司發(fā)布了一則令人震驚的消息，它宣布研制成功了16個(gè)量子比特的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)。該計(jì)算機(jī)所依賴的是一種叫做量子退火的技術(shù)，在這種技術(shù)當(dāng)中，量子比特可以和鄰近的量子比特糾纏，交互產(chǎn)生一個(gè)單獨(dú)的整體量子態(tài)，而不是一系列并行計(jì)算。

       盡管批評(píng)聲接踵而至：D-Wave甚至沒有嘗試解決那些對(duì)量子計(jì)算來說至關(guān)重要的問題，例如糾錯(cuò)。但各大公司仍對(duì)這種設(shè)備趨之若鶩，谷歌和洛克希德馬丁公司都成了D-Wave的客戶。D-Wave讓一些公司開始展開思路。“它讓我們睜開了雙眼，D-Wave的出現(xiàn)預(yù)示著這個(gè)市場(chǎng)正在形成，需求已經(jīng)出現(xiàn)?！盡onroe說。

       而英特爾在2015年宣布，將對(duì)源自荷蘭代爾夫特科技大學(xué)的QuTech公司投入5000萬美元，開發(fā)硅量子點(diǎn)。它也經(jīng)常被稱為“人工原子”，每個(gè)點(diǎn)量子比特是一塊小材料，其中結(jié)構(gòu)就像原子一樣，電子的量子態(tài)可以用來表示0和1。不同于離子或原子，量子點(diǎn)不需要用激光?！拔艺J(rèn)為英特爾的心臟是由硅組成的?！盦uTech科學(xué)總監(jiān) Leo Kouwenhoven說，“這就是為什么他們擁有如此地位的原因。”

       微軟的行動(dòng)看起來更加有遠(yuǎn)見：基于非阿貝爾任意子的拓?fù)淞孔颖忍?。而谷歌已?jīng)招募到了加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校超導(dǎo)量子比特專家 John Martinis。7月，Martinis的團(tuán)隊(duì)用3個(gè)超導(dǎo)量子比特成功地模仿了一個(gè)氫分子的基態(tài)能，證明量子計(jì)算機(jī)和常規(guī)計(jì)算機(jī)一樣具備模擬簡(jiǎn)單量子系統(tǒng)的能力。

       與此同時(shí)，Monroe正在和束縛離子研究中遇到的挑戰(zhàn)“纏斗”。束縛離子的量子比特可以維持?jǐn)?shù)秒的穩(wěn)定，這一特性得益于真空腔和電極的作用，它們可以在外部噪聲存在的情況下維持量子比特的穩(wěn)定。

       即使有大量資金投入，量子計(jì)算成為一個(gè)秘密商業(yè)領(lǐng)域還有很長(zhǎng)的路要走。更重要的是，沒有人足夠了解量子計(jì)算，所以也就沒人能說用哪一種量子比特就能實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)。在擴(kuò)展實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)之前，每一種方面都還需要經(jīng)過精心的調(diào)制細(xì)化。超導(dǎo)基量子比特和硅基量子比特需要在更大的一致性下制造，而冷卻設(shè)備需要高效化。同時(shí)束縛離子需要更快的邏輯門和更緊湊的激光與光學(xué)器件。拓?fù)淞孔游灰策€需要被創(chuàng)造。

       未來的量子計(jì)算機(jī)很可能是一個(gè)混合物，它利用超快的超導(dǎo)量子比特運(yùn)行算法，然后用更穩(wěn)定的離子內(nèi)存輸出，同時(shí)使用光子在該機(jī)器的不同部分之間或量子網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間穿梭傳遞信息。微軟研究人員Krysta Svore說：“可以想象我們會(huì)身處這樣一個(gè)境地：有幾類量子比特，它們各自扮演不同角色?！?br />