今年是聯(lián)合國確定的“國際量子科學與技術年”。這意味著聯(lián)合國正式承認量子科學與技術在能源、教育、通信和人類健康領域開發(fā)可持續(xù)解決方案的變革潛力，認為它對實現可持續(xù)發(fā)展目標息息相關。
盡管量子計算的前沿研究還在實驗室如火如荼展開，但一個圍繞量子計算的全球性產業(yè)生態(tài)已在逐步形成。錨定“真正實用”的目標，量子計算正在加速走出實驗室，走進現實生活。
現在，或許是踏入量子計算領域的最好時機。“十年前，人們還在懷疑量子計算是否只是實驗室里的‘嘗鮮’，但如今它已在形成一個全球性生態(tài)系統(tǒng)。”法國量子初創(chuàng)公司愛麗絲&鮑勃聯(lián)合創(chuàng)始人洛朗·普羅斯特說。微軟量子研究團隊(QuArC)首席研究經理克瑞絲塔·斯沃雷更直白地認為，量子計算機“已經可以運轉了”。
但在現實中，全球競爭者們還在分頭探索不同技術路線，都希望自己的方案能笑到最后，這意味著量子計算新技術研究路徑尚未進入收斂階段。
最重要的問題是——量子計算機究竟能用來做什么？迄今為止，它的實際用途相當有限。要兌現其“解決傳統(tǒng)計算機無法應對的問題”的承諾，量子計算機不僅要能運行復雜的計算，還要錯誤率足夠低，以確保計算結果有意義。但這兩個目標相互掣肘：增加量子計算機中的量子比特(量子計算機的基本單元)來提高計算能力，通常也意味著出錯風險飆升。
比特進化
從“能造”到“造得好”
科學家們嘗試將多個“物理量子比特”組合成更強大的“邏輯量子比特”，以達到在計算過程中實時檢測并修復錯誤的目的。“你必須能邊算邊糾錯。”斯沃雷說，這也成為各大研究團隊的共同目標：盡可能多地造出邏輯量子比特。
從目前來看，美國初創(chuàng)公司原子計算在實現的比特數量上暫時領跑。他們最新研制的量子計算機擁有的量子比特數量達到1180個，由超冷中性鐿原子組成。法國公司Pasqal緊隨其后，加入了1110個原子的量子比特(尚未投入計算)。中國科學技術大學的研究人員則展示了利用人工智能加速原子裝配的相關成果。
“量子計算已經突飛猛進，我們從‘能不能造’的階段進入了‘能否造得更好’的階段。”原子計算公司創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官本·布魯姆認為，中性原子這一路線目前處于領先地位。
不過，量子計算的突破遠不是堆疊比特那么簡單。“做出真正有用的量子計算機，關鍵是構建一個完善的系統(tǒng)。”英偉達量子產品市場經理尼古拉斯·哈里根表示。英偉達雖未自行研發(fā)量子芯片，但正與多家公司合作，研究如何更好地發(fā)揮量子計算的性能。其他傳統(tǒng)計算行業(yè)巨頭也有類似想法，例如，微軟去年與原子計算合作推出了一款具有24個邏輯量子比特的商用量子機器，這被視為邁向實用量子設備的第一步。
但在邏輯比特的競賽中，贏家另有其人。美國量子計算初創(chuàng)公司QuEra所展示的邏輯量子比特已超過40個。拔得頭籌的則是美國知名量子計算公司Quantinuum，成功運行了50個邏輯比特。其總裁兼首席執(zhí)行官拉吉布·哈茲拉透露，公司即將發(fā)布的新一代量子計算機，其編碼能力將比現有紀錄高出一萬億倍。
比拼激烈
多條路徑各展所長
Quantinuum公司采用的是“離子阱”路線，即采用電磁場約束的帶電鐿離子來構建量子比特。這一技術路徑也受到英國量子初創(chuàng)公司Oxford Ionics與美國量子計算公司IonQ等的青睞。IonQ的系統(tǒng)架構與性能高級總監(jiān)約翰·甘布爾指出，中性原子與離子阱的共同優(yōu)勢在于量子比特之間的連接更靈活，更容易忠實執(zhí)行各種算法，包括將物理比特轉化為邏輯比特，以實現不同方式的糾錯——現在比的是靈活性和多功能性。
正因為這種靈活性，選擇中性原子和離子阱路線的公司相信自己有機會在未來超越谷歌和IBM。谷歌是該領域最早聲稱實現“量子優(yōu)越性”的公司。這個概念最早由2012年美國加州理工學院理論物理學家約翰·普瑞斯基爾提出，指的是量子計算機可以做到傳統(tǒng)計算機實現不了的事。2019年，谷歌宣布打造出第一臺運算能力遠超傳統(tǒng)超級計算機的量子計算機。盡管這一說法在當時受到質疑，但谷歌在2024年再次宣稱達成量子優(yōu)越性，其量子芯片“垂柳”(Willow)可在5分鐘內完成一項傳統(tǒng)超級計算機需要十垓年(1025年)才能完成的計算任務。
谷歌和IBM將超導量子芯片作為主要攻關方向。這種方案具有運行速度快、部分場景下可靠性更高的優(yōu)勢，但也存在局限。比如，中性原子比特容易從激光控制的狀態(tài)中“跑偏”，從而引發(fā)錯誤。
不過，超導技術最大的問題也許是“連接”。超導量子比特通常只能連接到鄰近比特，這讓許多新型糾錯算法難以實現，探索空間也受到限制。
“新的糾錯代碼層出不窮，現在遠不是終點。”甘布爾說。布魯姆也表示，原子計算公司之所以從其他路徑轉向中性原子，是因為中性原子在應對量子計算最核心挑戰(zhàn)時顯得更具優(yōu)勢。而曾被視為最有前景的超導路線，可能正遭遇瓶頸。
當然，這并不意味著谷歌的努力毫無價值。谷歌的探索已展示出，通過將更多物理比特整合到邏輯比特中，確實能提高糾錯能力——這也是實現大規(guī)模量子計算機的關鍵一步。
真正實用
商用設備或五年內面世
目前，IBM的Condor芯片已擁有1121個超導量子比特，僅比原子計算公司創(chuàng)造的最高紀錄少59個。不過，IBM的計劃是到2026年突破4000比特大關。為實現這一目標，IBM正在研發(fā)連接現有芯片的模塊，以打造出更大規(guī)模的“模塊化”量子計算平臺，并希望借此執(zhí)行更多復雜的糾錯算法。
美國量子集成電路開發(fā)商Rigetti Computing也沒有放棄超導路線。公司首席技術官大衛(wèi)·里瓦斯指出，超導量子計算機已具備一定的實用價值。該公司不僅推出了一款即買即用的9量子比特量子計算機，還同時提供接入一臺84量子比特大型處理器的服務。這些設備目前已在向政府實驗室和商業(yè)客戶出售。
愛麗絲&鮑勃公司同樣采用超導路線構建量子比特，但其設計理念不同：他們希望在構建邏輯比特之前，就大幅減少物理比特的出錯率。該公司研究人員相信，這種方式只需幾千個量子比特就能實現完全無誤的量子計算，而競爭對手可能需要上百萬個。目前，他們尚未展示任何邏輯量子比特，但目標是在2030年前打造出真正實用的量子計算機。
終點何在
成為社會底層技術
在量子計算這個賽道上，“五年計劃”似乎成了慣例。
美國初創(chuàng)公司PsiQuantum有個更為激進的計劃：跳過小規(guī)模比特實驗階段，在2027年直接推出一臺大規(guī)模、類超級計算機的量子計算機。他們采用光子作為量子比特，專注于將傳統(tǒng)意義上復雜的控制組件(如激光和透鏡)集成到可工業(yè)量產的半導體芯片上。該公司聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席科學官皮特·沙博爾特表示，他們擅長制定高難度但合理可行的時間表。
其他走光子路線的公司則相對穩(wěn)健。2021年，加拿大量子計算公司Xanadu展示了一種可運行多個算法的光子量子計算芯片。法國Quandela公司則推出了一款12比特的量子計算機，其模塊化設計便于未來的擴展升級。
誰最有希望脫穎而出？長期關注該行業(yè)的美國加州理工學院教授約翰·裴士基傾向于押寶在中性原子上。他認為，這種技術具備規(guī)模制造能力和靈活連接能力，在執(zhí)行量子算法方面潛力巨大，“如果能造出幾萬個中性原子量子比特，其性能可媲美幾十萬個超導比特”。
然而，最好的量子比特或許會是“根本沒人察覺到其存在”的那個。或許，最理想的未來并不是某種技術稱王，而是沒人再關心底層技術。“就像今天的AI開發(fā)者不會糾結用的是哪種CPU，未來的工程師也無需關心用的是哪種物理量子比特。”布魯姆說，直到那時，量子計算機才真正開始解決能改變世界的問題。
盡管并非所有量子實驗都能成功，但量子計算正在加速駛出實驗室，駛向現實世界。
本報記者 劉琦/編譯