今年是聯(lián)合國(guó)確定的“國(guó)際量子科學(xué)與技術(shù)年”。這意味著聯(lián)合國(guó)正式承認(rèn)量子科學(xué)與技術(shù)在能源、教育、通信和人類健康領(lǐng)域開(kāi)發(fā)可持續(xù)解決方案的變革潛力，認(rèn)為它對(duì)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)息息相關(guān)。
盡管量子計(jì)算的前沿研究還在實(shí)驗(yàn)室如火如荼展開(kāi)，但一個(gè)圍繞量子計(jì)算的全球性產(chǎn)業(yè)生態(tài)已在逐步形成。錨定“真正實(shí)用”的目標(biāo)，量子計(jì)算正在加速走出實(shí)驗(yàn)室，走進(jìn)現(xiàn)實(shí)生活。
現(xiàn)在，或許是踏入量子計(jì)算領(lǐng)域的最好時(shí)機(jī)。“十年前，人們還在懷疑量子計(jì)算是否只是實(shí)驗(yàn)室里的‘嘗鮮’，但如今它已在形成一個(gè)全球性生態(tài)系統(tǒng)。”法國(guó)量子初創(chuàng)公司愛(ài)麗絲&鮑勃聯(lián)合創(chuàng)始人洛朗·普羅斯特說(shuō)。微軟量子研究團(tuán)隊(duì)(QuArC)首席研究經(jīng)理克瑞絲塔·斯沃雷更直白地認(rèn)為，量子計(jì)算機(jī)“已經(jīng)可以運(yùn)轉(zhuǎn)了”。
但在現(xiàn)實(shí)中，全球競(jìng)爭(zhēng)者們還在分頭探索不同技術(shù)路線，都希望自己的方案能笑到最后，這意味著量子計(jì)算新技術(shù)研究路徑尚未進(jìn)入收斂階段。
最重要的問(wèn)題是——量子計(jì)算機(jī)究竟能用來(lái)做什么？迄今為止，它的實(shí)際用途相當(dāng)有限。要兌現(xiàn)其“解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無(wú)法應(yīng)對(duì)的問(wèn)題”的承諾，量子計(jì)算機(jī)不僅要能運(yùn)行復(fù)雜的計(jì)算，還要錯(cuò)誤率足夠低，以確保計(jì)算結(jié)果有意義。但這兩個(gè)目標(biāo)相互掣肘：增加量子計(jì)算機(jī)中的量子比特(量子計(jì)算機(jī)的基本單元)來(lái)提高計(jì)算能力，通常也意味著出錯(cuò)風(fēng)險(xiǎn)飆升。
比特進(jìn)化
從“能造”到“造得好”
科學(xué)家們嘗試將多個(gè)“物理量子比特”組合成更強(qiáng)大的“邏輯量子比特”，以達(dá)到在計(jì)算過(guò)程中實(shí)時(shí)檢測(cè)并修復(fù)錯(cuò)誤的目的。“你必須能邊算邊糾錯(cuò)。”斯沃雷說(shuō)，這也成為各大研究團(tuán)隊(duì)的共同目標(biāo)：盡可能多地造出邏輯量子比特。
從目前來(lái)看，美國(guó)初創(chuàng)公司原子計(jì)算在實(shí)現(xiàn)的比特?cái)?shù)量上暫時(shí)領(lǐng)跑。他們最新研制的量子計(jì)算機(jī)擁有的量子比特?cái)?shù)量達(dá)到1180個(gè)，由超冷中性鐿原子組成。法國(guó)公司Pasqal緊隨其后，加入了1110個(gè)原子的量子比特(尚未投入計(jì)算)。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的研究人員則展示了利用人工智能加速原子裝配的相關(guān)成果。
“量子計(jì)算已經(jīng)突飛猛進(jìn)，我們從‘能不能造’的階段進(jìn)入了‘能否造得更好’的階段。”原子計(jì)算公司創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官本·布魯姆認(rèn)為，中性原子這一路線目前處于領(lǐng)先地位。
不過(guò)，量子計(jì)算的突破遠(yuǎn)不是堆疊比特那么簡(jiǎn)單。“做出真正有用的量子計(jì)算機(jī)，關(guān)鍵是構(gòu)建一個(gè)完善的系統(tǒng)。”英偉達(dá)量子產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理尼古拉斯·哈里根表示。英偉達(dá)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(jì)算的性能。其他傳統(tǒng)計(jì)算行業(yè)巨頭也有類似想法，例如，微軟去年與原子計(jì)算合作推出了一款具有24個(gè)邏輯量子比特的商用量子機(jī)器，這被視為邁向?qū)嵱昧孔釉O(shè)備的第一步。
但在邏輯比特的競(jìng)賽中，贏家另有其人。美國(guó)量子計(jì)算初創(chuàng)公司QuEra所展示的邏輯量子比特已超過(guò)40個(gè)。拔得頭籌的則是美國(guó)知名量子計(jì)算公司Quantinuum，成功運(yùn)行了50個(gè)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(jì)算機(jī)，其編碼能力將比現(xiàn)有紀(jì)錄高出一萬(wàn)億倍。
比拼激烈
多條路徑各展所長(zhǎng)
Quantinuum公司采用的是“離子阱”路線，即采用電磁場(chǎng)約束的帶電鐿離子來(lái)構(gòu)建量子比特。這一技術(shù)路徑也受到英國(guó)量子初創(chuàng)公司Oxford Ionics與美國(guó)量子計(jì)算公司IonQ等的青睞。IonQ的系統(tǒng)架構(gòu)與性能高級(jí)總監(jiān)約翰·甘布爾指出，中性原子與離子阱的共同優(yōu)勢(shì)在于量子比特之間的連接更靈活，更容易忠實(shí)執(zhí)行各種算法，包括將物理比特轉(zhuǎn)化為邏輯比特，以實(shí)現(xiàn)不同方式的糾錯(cuò)——現(xiàn)在比的是靈活性和多功能性。
正因?yàn)檫@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(jī)會(huì)在未來(lái)超越谷歌和IBM。谷歌是該領(lǐng)域最早聲稱實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”的公司。這個(gè)概念最早由2012年美國(guó)加州理工學(xué)院理論物理學(xué)家約翰·普瑞斯基爾提出，指的是量子計(jì)算機(jī)可以做到傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)不了的事。2019年，谷歌宣布打造出第一臺(tái)運(yùn)算能力遠(yuǎn)超傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)的量子計(jì)算機(jī)。盡管這一說(shuō)法在當(dāng)時(shí)受到質(zhì)疑，但谷歌在2024年再次宣稱達(dá)成量子優(yōu)越性，其量子芯片“垂柳”(Willow)可在5分鐘內(nèi)完成一項(xiàng)傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)需要十垓年(1025年)才能完成的計(jì)算任務(wù)。
谷歌和IBM將超導(dǎo)量子芯片作為主要攻關(guān)方向。這種方案具有運(yùn)行速度快、部分場(chǎng)景下可靠性更高的優(yōu)勢(shì)，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(cuò)誤。
不過(guò)，超導(dǎo)技術(shù)最大的問(wèn)題也許是“連接”。超導(dǎo)量子比特通常只能連接到鄰近比特，這讓許多新型糾錯(cuò)算法難以實(shí)現(xiàn)，探索空間也受到限制。
“新的糾錯(cuò)代碼層出不窮，現(xiàn)在遠(yuǎn)不是終點(diǎn)。”甘布爾說(shuō)。布魯姆也表示，原子計(jì)算公司之所以從其他路徑轉(zhuǎn)向中性原子，是因?yàn)橹行栽釉趹?yīng)對(duì)量子計(jì)算最核心挑戰(zhàn)時(shí)顯得更具優(yōu)勢(shì)。而曾被視為最有前景的超導(dǎo)路線，可能正遭遇瓶頸。
當(dāng)然，這并不意味著谷歌的努力毫無(wú)價(jià)值。谷歌的探索已展示出，通過(guò)將更多物理比特整合到邏輯比特中，確實(shí)能提高糾錯(cuò)能力——這也是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵一步。
真正實(shí)用
商用設(shè)備或五年內(nèi)面世
目前，IBM的Condor芯片已擁有1121個(gè)超導(dǎo)量子比特，僅比原子計(jì)算公司創(chuàng)造的最高紀(jì)錄少59個(gè)。不過(guò)，IBM的計(jì)劃是到2026年突破4000比特大關(guān)。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，IBM正在研發(fā)連接現(xiàn)有芯片的模塊，以打造出更大規(guī)模的“模塊化”量子計(jì)算平臺(tái)，并希望借此執(zhí)行更多復(fù)雜的糾錯(cuò)算法。
美國(guó)量子集成電路開(kāi)發(fā)商Rigetti Computing也沒(méi)有放棄超導(dǎo)路線。公司首席技術(shù)官大衛(wèi)·里瓦斯指出，超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)已具備一定的實(shí)用價(jià)值。該公司不僅推出了一款即買即用的9量子比特量子計(jì)算機(jī)，還同時(shí)提供接入一臺(tái)84量子比特大型處理器的服務(wù)。這些設(shè)備目前已在向政府實(shí)驗(yàn)室和商業(yè)客戶出售。
愛(ài)麗絲&鮑勃公司同樣采用超導(dǎo)路線構(gòu)建量子比特，但其設(shè)計(jì)理念不同：他們希望在構(gòu)建邏輯比特之前，就大幅減少物理比特的出錯(cuò)率。該公司研究人員相信，這種方式只需幾千個(gè)量子比特就能實(shí)現(xiàn)完全無(wú)誤的量子計(jì)算，而競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手可能需要上百萬(wàn)個(gè)。目前，他們尚未展示任何邏輯量子比特，但目標(biāo)是在2030年前打造出真正實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)。
終點(diǎn)何在
成為社會(huì)底層技術(shù)
在量子計(jì)算這個(gè)賽道上，“五年計(jì)劃”似乎成了慣例。
美國(guó)初創(chuàng)公司PsiQuantum有個(gè)更為激進(jìn)的計(jì)劃：跳過(guò)小規(guī)模比特實(shí)驗(yàn)階段，在2027年直接推出一臺(tái)大規(guī)模、類超級(jí)計(jì)算機(jī)的量子計(jì)算機(jī)。他們采用光子作為量子比特，專注于將傳統(tǒng)意義上復(fù)雜的控制組件(如激光和透鏡)集成到可工業(yè)量產(chǎn)的半導(dǎo)體芯片上。該公司聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席科學(xué)官皮特·沙博爾特表示，他們擅長(zhǎng)制定高難度但合理可行的時(shí)間表。
其他走光子路線的公司則相對(duì)穩(wěn)健。2021年，加拿大量子計(jì)算公司Xanadu展示了一種可運(yùn)行多個(gè)算法的光子量子計(jì)算芯片。法國(guó)Quandela公司則推出了一款12比特的量子計(jì)算機(jī)，其模塊化設(shè)計(jì)便于未來(lái)的擴(kuò)展升級(jí)。
誰(shuí)最有希望脫穎而出？長(zhǎng)期關(guān)注該行業(yè)的美國(guó)加州理工學(xué)院教授約翰·裴士基傾向于押寶在中性原子上。他認(rèn)為，這種技術(shù)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(wàn)個(gè)中性原子量子比特，其性能可媲美幾十萬(wàn)個(gè)超導(dǎo)比特”。
然而，最好的量子比特或許會(huì)是“根本沒(méi)人察覺(jué)到其存在”的那個(gè)。或許，最理想的未來(lái)并不是某種技術(shù)稱王，而是沒(méi)人再關(guān)心底層技術(shù)。“就像今天的AI開(kāi)發(fā)者不會(huì)糾結(jié)用的是哪種CPU，未來(lái)的工程師也無(wú)需關(guān)心用的是哪種物理量子比特。”布魯姆說(shuō)，直到那時(shí)，量子計(jì)算機(jī)才真正開(kāi)始解決能改變世界的問(wèn)題。
盡管并非所有量子實(shí)驗(yàn)都能成功，但量子計(jì)算正在加速駛出實(shí)驗(yàn)室，駛向現(xiàn)實(shí)世界。
本報(bào)記者 劉琦/編譯