Science：實用量子計算機已近在咫尺

9 月，一個周日的下午，量子計算創業公司 ionQ 的兩位聯合創始人正和他們的首位受僱人——他們的新 CEO 碰頭開戰略會議。坐在馬里蘭大學的 Physical Sciences Complex 里舒適的皮椅上，兩位創始人正體驗著一絲文化碰撞。終身從事研究的科學家、馬里蘭大學的物理學家 Chris Monroe 和杜克大學的電子工程師 Jungsan Kim 很放鬆，甚至在記者面前大談公司規劃。他們列舉了為什麼選擇囚禁離子（trapped ions），他們的專長將有助於打造一台偉大的量子計算機——完美的再現性、耐久性以及利用激光實現的良好的可控性。

公司 CEO David Moehring 是 Monroe 和 Kim 剛從美國 Intelligence Advanced Research Projects Activity（IARPA，機器之心介紹過這個項目）里雇來的，他更為警覺。他警告 Monroe 和 Kim 不要泄露創業公司應予保密的信息——包括從風投 New Enterprise Associates 那裡獲得的投資額。（他樂意證實這個數字是幾百萬美元）。Kim 對 Moehring 點著頭並輕笑。「在某個時點，這個傢伙會要求我們的談話經過他的許可。」

這幾個看似不可能的合伙人都有一個共同的確信：量子計算——旨在利用量子力學來大幅加速計算——已經準備迎來黃金時期。他們並非孤軍奮戰。科技巨頭英特爾、微軟、IBM 和谷歌正在量子計算上投入數千萬美元。然而這些競爭者們正將賭注下在不同的技術黑馬上：仍然無人知曉驅動一台實用的量子計算機需要什麼類型的量子比特（qubit）。

谷歌常常被視為這一領域的領頭羊，該公司已經示意了其選擇：微型超導電路。其研究團隊已經打造出了一台 9 量子比特的機器，並希望一年內擴展至 49 量子比特——這是一個非常重要的門檻。在 50 量子比特階段，許多人認為一台量子計算機就可以成為「量子霸權（quantum supremacy）」，這是加州理工的物理學家 John Preskill 創造的辭彙以表示一台可以完成超越傳統計算機範圍的任務的量子計算機，比如模擬化學和材料科學中的分子結構，或解決機器學習或密碼學中的某些問題。

ionQ 的團隊並沒有被谷歌的成功所折服。

「我並不擔心谷歌會在下個月宣布遊戲已經結束，」Kim 說，「或者他們可以這麼宣布，但遊戲並未結束。」

雖然這麼說，但是 ionQ 還是有很多劣勢，他們還沒有專門的辦公室，甚至還沒有網站。這家創業公司仍然在堅持囚禁離子（trapped ions），這也是世界上最早的量子邏輯門背後的技術，這是由 Monroe 本人在 1995 年親自幫助創造出來的。使用精準調製的激光脈衝，Monroe 可以將離子激發到可以維持數秒的量子態——這可比谷歌的量子比特維持的時間長多了。Kim 已經開發出了一個可以將離子群（groups of ions）連接到一起的模塊化方案。但是到目前為止，其中最好的成績也不過是實現了 5 個量子比特的可編程機器。

「囚禁離子現在確實有點害群之馬（black sheep）的感覺，」Monroe 承認，「但我認為未來幾年人們會蜂擁而至。」

有一件事是確定無疑的：打造出一台量子計算機已經不再是一些大學科學家的遙遠夢想了，現在這已經成了世界上一些最大型的公司的直接目標。而且 Monroe 及其同事也只是那些希望從中獲利的許多人的一部分。儘管在產業界玩家方面，超導量子比特可能已經獲得了領先的發展勢頭，但相關專家都認為現在要說哪種技術已經獲勝還為時尚早。「這些技術在齊頭並進地開發著，這是件好事，」加州理工的這位量子信息科學的非官方院長 Preskill 說，「因為還可能會有驚喜出現而改變現在的局面。」

在開發量子計算機的競爭中，不同的公司看中了不同的量子比特（qubit），其中每一種技術都有自己的優點和缺點。（製圖：C. Bickel/Science，數據：Gabriel Popkin，漢化：機器之心）

量子比特能秒殺傳統計算機比特得益於兩個獨特的量子效應：量子疊加和量子糾纏。量子疊加能夠讓一個量子比特的值不單止於 0 或者 1，而是在同一時間同時具備這兩種狀態，這可以實現同步的計算。量子糾纏能讓一個量子比特與空間上獨立的其他量子比特共享自身狀態，創造出一種超級疊加，每個量子比特的處理能力因此翻倍。比如，5 個糾纏的量子比特能夠同時執行 25 或 32 個計算操作，而傳統算機不得不按順序進行 32 次計算。理論上，只要 300 全糾纏的量子比特（fully entangled qubits）就能支持比宇宙中原子數量更多的平行計算，

這種大規模並行可能在很多任務上並沒有什麼價值——沒有人認為量子計算機會革命文字處理或電子郵件。但其可以極大地加速被設計用來同時探索大量不同路徑的演算法，這能夠解決的問題包括：通過大數據進行搜索、發現新型的化學催化劑、對用於加密數據的大數進行因數分解。量子計算機也可以在物理學領域被用來模擬黑洞或其它現象。

但是，我們還有很多的工作要做。量子疊加態和糾纏態是非常脆弱的。一點來自環境的輕微擾動就能將其破環——甚至對其進行觀測就會破壞其狀態。量子計算機需要被保護起來，以免受耶魯大學物理學家 Robert Schoelkopf 所說的「經典混沌之海（a sea of classical chaos）」的干擾。

雖然相關理論在 20 世紀 80 年代初就開始萌芽，但實驗量子計算直到 1995 年才得以發展。1995 年，新澤西州 Murray Hill 貝爾實驗室一位名叫 Peter Shor 的數學家證明了運用量子計算機能有效地進行大數的因式分解，這種能力使得現代密碼學在量子計算機面前變得不堪一擊。Shor 和其他一些學者也證明，從理論上來說通過鄰近的量子比特來糾正錯誤，一直保持脆弱量子比特的穩定性是可能實現的。

突然間，一些物理學家和他們的資助人出於某種具體的原因也都開始去研發量子計算機，並且表明這個機器不會變成一大堆級聯錯誤。David Wineland 是美國科羅拉多州博爾德國家標準技術研究所（NIST）的一位物理學家，曾經獲得過諾貝爾獎，他率先提出了激光冷卻離子並控制其內部量子態的方法。在 Shor 的研究發布之後不到一年的時間裡，Wineland 和當時 NIST 的另外一位科學家 Monroe 就通過用激光控制鈹離子中的電子態的方法，建立了第一個量子機制邏輯門（quantum mechanical logic gate）。Monroe 說，正是因為 Wineland 在離子方面的研究，我們才能在早期的量子計算實驗當中就把握領先趨勢。

我們總是愛開玩笑說，等到我們有了量子計算機，我們就用它設計下一台量子計算機。——Krysta Svore，微軟研究員

隨著世界各地政府將大把研究經費投向量子物理研究團體，其他的一些類型的量子比特開始出現了。21 世紀初，囚禁離子（trapped ion）的概念受到了另一個新概念的挑戰：由超導體製成的迴路，所使用的超導體是一種帶有振蕩電路的金屬材料，其在冷卻到接近絕對零點時沒有電阻。量子比特的 0 和 1 與不同的電流強度相對應。迴路通過肉眼便可以觀察，不需要用到激光，用簡單的微波電子技術就可以控制，製作過程只需要使用常規的計算機晶元製造技術。此外，迴路的運行也非常快。

但是超導體有一個致命的弱點：環境噪音，即使是用來控制它們的電子設備，都能在不到一微秒的時間之內打亂其量子疊加態。但是工程技術的發展已經將迴路的穩定性提高了至少一百萬倍，所以現在它們保持疊加態的時間可以達到幾十微秒，雖然維持時間仍然比離子要短得多。

2007 年，加拿大本那比市的一家創業公司 D-Wave Systems 發布了一則讓所有人都為之震驚的消息，它宣布研製成功了 16 個量子比特的超導量子計算機。D-Wave 研製的這台機器並沒有糾纏所有的量子比特，在編程時也不能一個量子比特一個量子比特地進行。該計算機所依賴的是一種叫做量子退火（quantum annealing）的技術，在這種技術當中，量子比特可以和鄰近的量子比特糾纏，交互產生一個單獨的整體量子態，而不是一系列並行計算。D-Wave 的開發者希望能夠把複雜的數學問題映射到量子態當中，並運用量子效應來找到最小值。這種技術很有前景，可有望用於解決高效航空交通路徑規劃等最優化問題。

但批評聲接踵而至： D-Wave 甚至沒有嘗試解決那些對量子計算來說至關重要的問題，例如糾錯。但是各大公司仍對這種設備趨之若鶩，谷歌和洛克希德馬丁公司都成為了 D-Wave 的客戶。一個暫時的共識形成了：它可以進行一些量子計算，對於某些特殊任務，它可能比常規計算機處理得更快。無論量子與否，D-Wave 讓一些公司開始展開思路。「它讓我們睜開了雙眼，」Monroe 說道。「D-Wave 的出現預示著這個市場正在形成，對於此類設備的需求已經出現。」在不久的將來，越來越多的公司就會在量子計算之上開展自己的業務。

在對未來量子計算的賭局中，英特爾押上了最重的籌碼，它在 2015 年宣布，將對源自荷蘭 Delft 科技大學的一家公司 QuTech 投入 5000 萬美元的研究資金。這一公司致力於開發硅量子點（silicon quantum dots）研究，它也經常被稱為「人工原子（artificial atoms）」。每個點量子比特是一塊小材料，其中結構就像原子一樣，電子的量子態可以用來表示 0 和 1。不同於離子或原子，量子點不需要用激光。

早期的實驗中，量子點由砷化鎵的近乎完美的晶體製成，但是研究人員目前已經轉向使用硅，並希望利用上半導體工業現成的大量製造設施。「我認為英特爾的心臟是由硅組成的，」QuTech 的科學總監 Leo Kouwenhoven 說道。「這就是為什麼他們擁有如此地位的原因。」然而，硅基量子比特的效率遠遠不及那些基於離子和超導體的競爭者，其第一個雙量子比特邏輯門直到去年才由澳大利亞新南威爾士大學的研究者開發出來。

微軟的行動看起來更加有遠見：基於非阿貝爾任意子（nonabelian anyons）的拓撲量子比特（topological qubits）。這根本不是物體——它們是准粒子，沿著兩種不同的材料的結合處運動——它們的量子態在其運行的不同路徑中被編碼。因為運行路徑的交匯導致了量子比特的疊加，所以它們會被「拓撲保護（topologically protected）」免於塌縮，就像系好的鞋帶，即使在運動中也不會鬆開。

這種性質意味著理論上，拓撲量子計算機不需要將大量的量子比特用在糾錯上。早在 2005 年，一個微軟領導的團隊提出了一種在混合半導體——超導體結構中建立拓撲保護——的量子比特的方法，近年來微軟已經資助了多個研究團隊試圖製造這樣的機器。這些團隊的最新論文和貝爾實驗室的一項獨立研究展示了這種任意子（anyon）在特定電路中的運動方式，科學家們正在接近制出真正的量子比特，Preskill 表示：「我認為再過一兩年，我們就可以肯定地說：拓撲量子比特是存在的。」

而谷歌已經招募到了加州大學聖塔芭芭拉分校（UCSB）的超導量子比特專家 John Martinis。在 UCSB 的時候，John Martinis 深入研究了 D-Wave 系統的運行方式和短板。谷歌在 2014 年幾乎將 Martinis 的整個研究組都挖過去了，招募了組內的 12 名成員。之後不久，Martinis 團隊就宣布他們構造出了一個 9 量子比特的量子計算機。他們所構建的這個擁有 9 量子比特的量子計算機至今為止依然是最大的可編程的量子計算機之一，目前他們正在研究如何對其進行擴展。為了避免所建的量子計算機是一堆雜亂線路的混合體，他們重新將該量子計算機系統構建成了一個二維的陣列，該陣列位於一塊蝕刻有控制線的晶圓之上。

在 7 月，Martinis 的團隊用 3 個超導量子比特成功地模仿了一個氫分子的基態能，證明量子計算機和常規計算機一樣具備模擬簡單量子系統的能力。Martinis 說這個結果將大家引入對擁有量子計算超能力的機器的無限憧憬之中，他的團隊現在也有科學家和工程師近 30 人。他將一年之內構建出一個 49 量子位的量子計算機的任務視為一個「不容易實現的目標」，但是他認為這個任務還是可能實現的。

與此同時，Monroe 正在和囚禁離子研究中遇到的挑戰「纏鬥」。囚禁離子的量子比特可以維持數秒的穩定，這一特性得益於真空腔和電極的作用，它們可以在外部雜訊存在的情況下維持量子比特的穩定。但是通過真空腔將量子比特隔離後會遇到另一個問題：怎麼使量子比特之間相互作用？Monroe 最近成功將 22 個鐿離子糾纏成了一個直線鏈（linear chain），但是目前他還不能夠控制或查詢該鏈之中的所有離子對——而這正是量子計算機所需要的。

當離子數目變成以前的平方倍的時候，控制總體的複雜度會增加，因此加入更多的離子是不實際的。Monroe 相信前進的辦法就是模塊化並使用光纖連接不同的量子阱（traps），每個量子阱（traps）里大約有 20 個離子。如此一來，每個模塊里的某些量子比特就可以充當樞紐核心，獲取來自量子比特其他部分的信息，同時也可以與其他模塊的核心進行信息分享；通過這種方式，絕大部分量子比特能夠繼續避開外部干涉。

最近一個下午，Monroe 在馬里蘭大學展出了他的 6 個實驗室空間。在建成比較久的 3 個實驗室，從上到下都是互相纏繞的電線和真空管。在一個巨型工作台上，迷陣般排列的透視鏡和平面鏡形塑著激光，並引導激光到達（裝有所有重要的原子）鋼製真空罐罐口。頭頂上的加熱設備，保持良好的通風以及使用空氣調節系統（HAVC）是使灰塵降落的必備條件。同時 HAVC 也是穩定實驗室溫度的有效措施，雖然 HAVC 會產生持續的嗡嗡聲。「我對 HVAC 充滿愛意，」Monroe 說道。

這三個更新的實驗室相比之下顯得整潔和空曠。大多數激光都是集成的，而不是像魯貝戈德堡光學桌（Rube Goldberg optics tables）那樣，它們是來自諸如 Honeywell 這樣公司的即插即用型組件——針對各種可立即啟用系統（turnkey system) 的原型，如果 ionQ 想要成功就要完善它們。Monroe 說：「我們現在用的激光只有一個旋鈕，它是『開著（on）』的」。他心癢難耐地想讓 ionQ 實驗室運轉起來，這樣他就可以將高薪的研究科學家轉移到 ionQ 工作中，並能讓他們繼續完善在馬里蘭大學已經開發出的技術——多虧一個不尋常的協議，ionQ 可以進行獨家授權並免稅。明年，他將在第一次休假期間重點建設 ionQ。他說:「流入量子研究的私人投資是我職業生涯中最大的一筆交易。」

即使有大量資金的投入，量子計算成為一個秘密商業領域還有很長的路要走。主要的研究小組，甚至是那些隸屬大公司的仍然在展示成果和出席討論會。還說他們在宣傳技術進步方面有共同的利益，不僅僅是讓潛在客戶想到他們可以如何使用一台量子計算機。Monroe 說：「我們都需要一個市場」。

更重要的是，沒有人足夠了解量子計算，所以也就沒人能說用單獨的哪一種量子比特就能實現量子計算機。在擴展實用的量子計算機之前，每一種方面都還需要經過精心的調製細化。超導基量子比特（Superconductor-based qubits）和硅基量子比特（silicon-based qubits）需要在更大的一致性（consistency）下製造，而冷卻設備需要高效化。同時囚禁離子需要更快的邏輯門和更緊湊的激光與光學器件。拓撲量子位也還需要被創造。

未來的量子計算機很可能是一個混合物（hybrid），它利用超快的超導量子比特運行演算法，然後用更穩定的離子內存輸出，同時使用光子在該機器的不同部分之間或量子網路節點之間穿梭傳遞信息。微軟研究人員 Krysta Svore 說：「可以想像我們會身處這樣一個境地：有幾類量子比特，它們各自扮演不同角色。」

量子計算機實在是太前沿、太奇異了，即使是世界頂級量子物理學家和計算機工程師也不知道一台商用量子計算機最終會是什麼樣。Svore 說：「物理學家只需要以目前的技術構建儘可能複雜的計算機，接著直面一定會冒出來的新挑戰——然後構建，學習，再重複。我們喜歡開玩笑說一旦我們有了量子計算機，我們將會用它來設計下一個量子計算機。」