離子阱 VS 超導:量子計算機哪家強?
2021年02月15日10:46

  來源: Nature Portfolio

  在打造商用量子計算機的賽場上,離子阱系統正蓄勢待發。

  一項一直以來被視為二軍的量子計算機製造技術正在翻身。量子計算在過去十年里從學術研究對象變成了大公司青睞的項目,而大家的目光都聚焦在同一個方法上:微型的超導線圈。包括IBM和英特爾(Intel)在內的科技巨頭都選擇了這個方案。Google(Google)2019年推出了一台超導計算機,並宣稱它實現了“量子優越性”:首次執行了一項經典計算機做不到的計算。不過,在通向商業量子計算機的道路上,另外一項技術正蓄勢待發:用電場囚禁離子。

霍尼韋爾量子計算機的一個離子阱。來源:Honeywell Quantum Solutions
霍尼韋爾量子計算機的一個離子阱。來源:Honeywell Quantum Solutions

  2020年初,科技製造企業霍尼韋爾(Honeywell)在十多年的默默研發後,首次推出了一台用離子阱作為量子比特(qubit)基礎的量子計算機。總部位於美國北卡羅萊納州的霍尼韋爾是全球首個嚐試這一路線的公司。10月,也就是開發成功之後的7個月,霍尼韋爾展示了一台升級版的計算機,並已計劃好如何擴大其規模。

  不久前,馬里蘭大學的衍生公司IonQ公佈了一台離子阱計算機,或能達到IBM與Google的計算機的水平,不過IonQ尚未公開其運算能力的細節。更小的一些初創公司——例如英國的Universal量子公司和奧地利的Alpine量子技術公司——也在為離子阱項目吸引資金。

  離子阱量子計算機並不是新技術:1995年[1]的第一個基本量子線圈裡面的量子比特就是基於這項技術,這可比超導線圈早多了。但是將它組裝成可行的商用系統“似乎現在才開始井噴”,美國國家標準技術研究所(NIST)的量子物理學家Daniel Slichter說。

霍尼韋爾真空室中的離子阱。來源:Honeywell Quantum Solutions
霍尼韋爾真空室中的離子阱。來源:Honeywell Quantum Solutions

  “人們現在會在同一句話裡面說出‘超導’和‘離子阱’,而哪怕五年前都不會有人這麼說。”馬里蘭大學的物理學家Chris Monroe說。他參與過1995年的實驗,同時也是IonQ的創始人之一。量子計算尚處繈褓之中,雖然各大公司都競相宣稱自己的量子計算機是最先進的(參見“誰的最強?”),但現在探討哪種硬件會最終勝出仍然為時過早——甚至到最後也不一定會有壓倒性的勝利者。各大公司所用技術的多樣性讓量子計算領域變得比以前更寬了。

  大規模計算

  經典計算機用1和0儲存信息,而量子比特處於1和0的某種微妙的糾纏態。通過量子現象和量子糾纏,多個量子比特的狀態可以互相關聯。由於量子比特的量子態之間可以進行波動型的干涉,因此量子計算機在執行某些大規模計算時,可以達到比最好的經典計算機快指數級的倍率。其中的一個應用就是質因數分解。

  任何有著兩個可能的量子態的系統——例如超導線圈中的振盪或是離子的能級——就可以構成一個量子比特,但是所有硬件實現都有其利弊,並且在組成完整的量子計算機前會遇到一些根本性的難題。能夠讓量子計算體現出預期優勢的計算機需要——用質因數分解舉例的話——幾百萬個可以單獨操控的量子比特。而數量並不是唯一的問題:量子比特的質量和量子比特間如何連接同樣重要。

  微妙的量子比特及其運算會因噪聲而出錯,相連的量子比特越多出錯概率越大。如果想要幾百萬個量子比特一起計算,那麼每個量子比特的錯誤率都必須小到足以通過“糾錯”流程來檢測和修復。不過,物理學家也希望有一定噪聲的較小系統能在近期投入實用。

  誰的最強?

  各大實驗室已經為誰能做出量子比特數最多的量子計算機競爭很久了。但是,比賽誰家的計算機“最強大”意義不大,赫爾辛基大學的量子物理學家Sabrina Maniscalco說,“衡量表現的標準有很多。”

  2020年6月,美國技術公司霍尼韋爾宣稱造出了世界上在“量子體積”(quantum volume)上最強大的量子計算機。這麼說是考慮了系統的量子比特數、連通性、噪聲和錯誤率,這也體現了計算機能夠應付多複雜的問題。這台計算機的量子體積是64,比當時IBM最強的計算機多了一倍。量子體積比單純的量子比特數更適合用來比較,但仍然是比較粗的評價標準,Maniscalco說。

  頭對頭比較是另一種比較計算機之間相對強度的方法,但這種方法也不是所有時候都好用,因為計算機的表現取決於問題本身,美國國家科學基金會的計算機科學學部負責人Margaret Martonosi說。如果不知道關鍵的特性在增大規模時會如何變化,那麼原型機的表現就無法體現完整計算機的能力。

  不論使用哪個評價標準,公司都應當在宣傳時慎之又慎,住在加利福尼亞州的計算機科學家Doug Finke說。他運營著一家追蹤業界新聞的網站,該網站名為“量子計算報告”(Quantum Computing Report)。霍尼韋爾所謂自己的計算機最強的說法並不成熟,因為使用量子體積的開發者並不多,他說。此外,就在10月,馬里蘭大學相關的IonQ首次正式使用了這一標準,並且他們說最新的計算機預期會有400萬的量子體積。如果證據確鑿,就會打破霍尼韋爾的記錄。

  另一個衡量量子計算機能力的標準是能否在特定問題上戰勝經典計算機——2019年Google用一台54個量子比特的計算機實現了這個超越。對Finke來說,在一個有商業價值的問題上實現這種“量子優越性”才是“評價量子計算機是否成功的真正標準”。

  有利有弊

  在過去的幾年里,超導線圈技術突飛猛進,險些就要把離子阱技術打入冷宮。Google和IBM等公司已經開發出了大約50多個高質量量子比特的計算機。IBM的目標是在2023年擁有一台1000個量子比特的計算機。加州大學聖巴巴拉分校的量子物理學家John Martinis在2020年4月前一直是Google量子硬件部門的負責人,他認為Google會繼續使用實現量子優越性的計算機基本架構來完成下一個裡程碑:量子糾錯。

  至今為止,超導量子比特的優勢在於很多公司都很熟悉,因為其基本元件與經典芯片技術相容。但是離子阱的量子比特——通過電場囚禁的單個帶電原子的能級儲存信息——有很多內在的優勢,赫爾辛基大學的Sabrina Maniscalco說。它們的運算更不容易出錯,並且單個離子的量子態會比超導量子比特的持續時間要長。畢竟超導線圈再小也是由很多個原子構成的。此外,超導量子比特容易只和最近的鄰居互動,而離子阱可以和很多個其他離子互動,這就讓執行複雜計算變得更加容易了,她說。

  但是離子阱也有其問題:離子之間的交互比超導量子比特要慢,而這在處理系統中產生的實時誤差上影響很大,美國量子軟件公司Turing的創始人Michele Reilly說。此外,一個阱里能容納多少離子並讓它們互相關聯也有上限。IonQ最新的模型中包含了32個離子,排成一條鏈;用激光摘出其中任何兩個都能讓它們互相關聯。為了讓規模擴大到幾百個量子比特,IonQ正在嚐試用光子連接數個這樣的離子鏈。IonQ的目標是每年讓量子比特數加倍。

霍尼韋爾量子計算機的控制室。來源:Honeywell Quantum Solutions
霍尼韋爾量子計算機的控制室。來源:Honeywell Quantum Solutions

  與此同時,霍尼韋爾的計劃是讓離子在一個巨大的芯片上穿梭移動[2],以便讓所有離子互相關聯起來——這個想法最早是NIST在上世紀90年代提出的。霍尼韋爾量子解決方案(HQS)部門最新的系統叫做H1,只包含10個量子比特,但是部門的首席科學家Patty Lee說該公司正在打造下一個版本。在接下來的五年里,團隊的計劃是將大約20個量子比特關聯起來,這應當足以讓他們的計算機解決一些經典計算機望塵莫及的問題,HQS總裁Tony Uttley說。

  主要的挑戰在於同時控制幾十個甚至上百個量子比特,並保證其質量和精確度——霍尼韋爾和IonQ尚未證明自己有能力做到這件事。雖然很多必需的元件都已經成熟,但是“還需要系統層面上的集成方案:組裝,測試,並解決問題。”荷蘭代爾夫特理工大學的理論物理學家Barbara Terhal說。

  勝者仍未決出

  離子阱計算機並不是唯一一種能吸引到大量投資的技術。超導量子比特的成功為很多技術打開了大門,Slichter說。這之中包括了矽基自旋量子比特,即使用矽晶體內嵌的原子的核自旋態儲存量子信息。為了嚐試這一技術,Martinis利用6個月的學術休假於9月加入了澳州的矽量子計算公司——這是他在近二十年之後首次嚐試超導系統之外的技術。Martinis並不介意哪種技術最終會勝出。“我希望能為第一台量子計算機的建造做出貢獻,但並不強求是我或是我所在的公司建造的。”他說。

  競賽還遠遠沒到宣佈勝利的時刻,Maniscalco說,可能永遠也無法決出勝利者。“可能並不會是某一個平台獲勝,或許會出現某種融合技術,或是適用不同問題的不同平台。”

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