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4周前发布

量子计算机混战:新贵离子 vs 老派超导体

  作者:Paul Smith-Goodson 是知名研究分析公司 Moor Insights & Strategy 的量子计算常驻分析师。

  英特尔公司正迅速取得进展,将超导量子计算测试芯片的量子位增加到更多数量:从 7 个量子位增加到 17 个量子位,现又增加到 49 个量子位(从左到右)。需要多个镀金连接器来控制和操纵每个量子位。(图片来源:Walden Kirsch/英特尔公司)

  量子位是量子计算机的核心。它们难以想象的特性为量子机器赋予了惊人的计算能力。

  超导设备、自旋原子、极化光子、量子点和俘获离子(trapped ion)不是未来的视频游戏,而是不同的量子位技术。此外,每一种类型的量子位有其独特的优缺点。

  在所有类型的量子位中,超导量子位最为常见。然而,俘获离子量子位是一种比较新的量子位技术,大有希望。除了拥有更快的栅极速度外,超导量子位还是固态制造。另一方面,俘获离子量子位比超导量子位更稳定,与其他量子位的连接性更好。

  从功能上来讲,所有量子位都依赖奇特的量子特性。量子计算机的量子位(qubit)可以编码成1、0 或同时编码成 1 和0,而不是经典位:1 或0。量子位也可以同时存在于所有可能的状态中。这种情形称为叠加。

  群体思维

  经典计算机中的位单独行动,而量子特性让量子位可以彼此“纠缠”。一旦纠缠,一组量子位就可以充当一个量子位。这使得多重输入可以出现在单一量子位上。

  与一次只能进行一次计算的经典计算机相比,叠加使量子计算机有望同时执行数百万个操作。

  量子隐形传态(quantum teleportation)是另一项量子特性。这听起来如同科幻,但事实并非如此。量子隐形传态并非传输物体,而是仅限于在纠缠的粒子之间共享量子态,不管纠缠的粒子相隔有多远。将来,隐形传态对于控制和使用远程量子服务器中的量子位以及对于电信而言将很有用。

  量子位就是量子位……几乎  


几种常见的量子位技术。C. Bickle 绘图, Gabriel Pokin 提供科学数据

  超导领域的重量级玩家

  IBM、谷歌和英特尔等科技巨头都已经用超导量子位在量子计算领域抢占了地盘。

  值得一提的是,英特尔并不依赖超导量子位。它还在研究硅中运行的另一种量子位技术,名为自旋量子位。自旋量子位的量子态取决于硅上电子的自旋。英特尔之所以对自旋量子位感兴趣,一个原因是这是可以充分发挥英特尔在硅制造领域的丰富经验的另一种技术。

  Rigetti Computing 是加利福尼亚一家新冒出来但表现不俗的初创公司,它也使用超导量子位。这家全栈式公司最近收购了 QxBranch,因而夯实了应用开发能力。

  超导量子位的弊端

  超导量子位是所有量子位技术中最成熟的。这意味着我们知道需要进行哪些改进,即使可能还不知道如何改进。超导量子位还具有可使用现有半导体技术来制造的优点。

  超导量子位有几个缺点:

  IonQ:新兴的离子初创公司

  IonQ、Alpine Quantum Technologies(奥地利)和霍尼韦尔都使用俘获离子技术。然而 IonQ 是这项技术的驱动力。IonQ 由 Christopher Monroe 和 Kim Jungsang Kim 于 2015 年创办。Monroe 是马里兰大学的 Bice Zorn 教授和杰出的物理学教授,还是联合量子研究所(Joint Quantum Institute)的研究员,他目前是 IonQ 的首席科学家。Kim 是杜克大学电气与计算机工程系教授。

  制造更好的离子阱

  俘获离子技术不是什么全新的概念。它用来制造世界上精度最高的一些原子钟。

  与原子钟一样,IonQ 使用镱同位素来制造量子位。他们从镱的中性原子入手,然后使用激光器从原子的外壳去除电子。这个过程将镱的常规原子转变成镱离子(Yb +)。

  镱离子由线性离子阱中的电磁场保持在适当位置。据 IonQ 声称,由于该技术易于重新配置,他们可以将 100 个或更多离子加载到一条线性链中。此外,无需制造新芯片就能做到这一点。到目前为止,他们已经在 79 个离子组成的线性链上使用单量子位栅极。

  俘获离子量子位有很多优点。与超导量子位相比,它们用于纠错所需的开销较低。由于库仑力,很容易让一个共享离子阱中的多组量子位纠缠起来。另一大优点是不需要稀释制冷剂。

  长远展望

  在获得通用的容错量子计算机之前,有许多工作要做。超导量子位和俘获离子量子位的长期可行性看起来不错。由于那些最庞大最优秀的科技公司拥有雄厚的财力,超导量子位会稳步改进。

  如果俘获离子计算机研究人员可以用激光器解决规模问题,他们比超导量子位计算机研究人员更胜一筹的可能性相当大。

  几乎所有研究人员都一致认为我们处于量子计算的早期实验阶段。最靠谱的估计是,量子计算再过 15 年至 20 年才达到成熟阶段。未来研究很有可能会发现更好的量子位技术或材料。