最近一波量子计算投资引发了量子计算泡沫的说法，专家认为量子计算尚未在任何领域证明其实用性，业界关于这一技术的主张过于乐观。但该行业的高管表示，量子计算确实是一种商业上可行的技术，尽管距离克服极具挑战性的技术障碍至少还有几年的时间。

如果这些这种乐观的估计是正确的，整个科技世界将在短短几年内发生变化。科学家们寄希望于量子计算解决高度复杂问题，例如破解牢不可破的密码和创造拯救生命的药物。上个月，百度称已开发出一款量子计算机，加入了谷歌、IBM 和英特尔等量子开发者的行列。

过去几年，投资者以惊人的速度向该行业投入资金。根据麦肯锡的一份报告，2021年用于量子计算初创公司的资金跃升至 14 亿美元，高于2020年的 7 亿美元。麦肯锡的报告也表示，这种势头可能正在放缓，部分原因是对量子计算专家的需求远大于人才的供应。其他人警告说，这个行业被过度炒作了，关于近期量子技术能够产生更先进的量子计算机的预测是没有根据的。

反对者指出了上个月发表的一篇论文，其中研究人员使用传统计算方法来挑战谷歌在2019年所谓的量子霸权。业内人士解释称，公众对量子霸权竞赛的关注可能没有抓住重点。IBM 研究人员在 2019 年写道：“包含一些‘实现量子霸权’的标题不可避免地会误导公众。量子计算机永远不会‘至高无上’地超越经典计算机，更可能的是与他们合作，因为每种技术都有自己独特的优势。”

IBM 最新的发展路线图预测，将在2022年将其量子技术扩展到 1,000 多个量子比特，并运行并行化的量子处理器。IBM计划在2023年引入错误抑制和缓解技术，IBM 称这为量子纠错奠定了基础：这是释放量子计算全部潜力的主要关键之一。在瑞士 IBM 研究中心的迈克尔·奥斯本（Michael Osborne）表示，公众“不能冒没有为量子进步做好准备的风险，必须为这些事情的发展提前做好准备，对于量子计算机将产生影响的组织，无论是好是坏，这一旅程现在就开始了，因为我们无法预测何时会在某些形式的混合内存方面取得重大突破，而这会推动如何很快就有大型机器可用。”

业内人士表示，研究人员需要数年时间才能解决使量子技术在商业上可行的多重挑战。业界尚未就量子计算的基本问题达成共识，例如哪些材料最适合量子芯片。例如，IMEC在其与 CMOS 兼容的制造技术中依赖于硅，这种技术限制了可能导致量子位丢失能量的缺陷。另一方面，美国能源部下属费米实验室的研究人员表示，硅通过一种被称为量子退相干的过程来减少量子比特的寿命，因此，硅可能比蓝宝石或其他材料更不适合用于量子芯片。

英飞凌技术与创新高级总监塞巴斯蒂安·卢伯（Sebastian Luber）表示：“当你将量子计算的现状与我们所知的标准数字计算进行比较时，人们往往会说，我们现在大致处于上个20世纪40年代，或许是50年代。目前的量子计算机还不能做一些有用的事情，还有很长的路要走。”

通往实用之路

量子技术挑战的一个核心是量子比特，它是量子力学计算系统中的信息单元。尚未完成的最重要的开发工作包括提高量子比特的可靠性并在更长时间内保持其量子特性。“部分量子比特的相干时间必须显著改善，”Luber 说。“我们还需要更多量子比特，因为目前我们的能力依旧非常有限。我们有几十个量子比特，但我们需要数百、数千甚至更多。”

另一个关键挑战是纠错，随着更多的量子比特放在一起，这将成为一个更大的问题。“经过几个周期的调节，你无法再将结果与纯噪声区分开来。一种解决方法是量子纠错。你将许多物理量子位绑定到逻辑量子位上，这样就安全了，”他说。

制造量子计算机提出了另一组问题。“这些系统非常容易受到环境的影响，”Luber 说。“每当环境发生变化时，就会引入噪音来干扰系统。保护它们的一种方法是冷却它们。还有其他方法，未来可能会有室温量子计算机。”

即使建立了量子计算的科学，也将面临挑战，例如让该行业熟悉一种计算系统，该系统的运行方式与历史上任何其他计算机完全不同。是德科技量子工程解决方案事业部的业务开发经理 Eric Holland表示，量子计算机看起来不会像当今消费者所熟悉的标准笔记本电脑或台式机。“它们的外观因量子技术而异。然而，所有这些都具有 RF 工程师熟悉的元素——任意波形发生器、数字化仪和数字输入/输出卡。还有更多奇特的元素，例如高功率可见激光或低温技术。这种相似之处更接近于服务器场和科学项目之间的混合体。”

改进和监控量子系统看起来也不同。“这可能来自材料堆栈的改进、设计改进或通过控制和环境进行的改进，”Holland 说。“衡量这些改进是具有挑战性的，因为改进对应于减少误差。误差越小，就越难以准确及时地测量。此外，由于所有操作都有一定的相关误差，因此以稳健可靠的方式准确表示系统误差预算具有挑战性。”

格芯和 PsiQuantum

制造量子计算机完全是另一回事，充满未知数。2021年，格芯及其合作伙伴 PsiQuantum宣布，他们已开始使用硅光子和电子芯片制造全尺寸商用量子计算机的基础组件。格芯光子产品管理副总裁 Anthony Yu说“我们相信我们可以控制光子并使它们具有纠缠和叠加的经典量子特性，并允许在这些光子量子比特上执行这些非常复杂的算法。”

该项目所需的技术能力既重要又多种多样。“第一，需要在非常冷的温度下运行——要么是毫开尔文，要么在 4 开尔文下运行，这依旧非常冷。第二，需要控制电子设备的能力，即使你在使用量子态以便能够执行计算和应用算法。第三，需要非常快的导电性。第四，需要能够制造这些量子比特。有多种方法可以做到这一点——超导技术、量子点。”

与任何量子技术一样，即使是最轻微的缺陷也会产生无法使用的产品。“必须小心创造完美的量子比特，”Yu 说。“为了达到这些量子计算，这些部件基本上必须不受环境的干扰。必须生成光子、操纵光子和检测光子——所有这些都以不受干扰的方式进行，这样就可以利用量子计算算法来解决非常复杂的问题。”

有进步的迹象。“格芯实际上可以控制芯片上的光子，并且格芯正在将其他商业领域的光子技术用于数据通信和数据中心等领域，格芯使用相同类型的功能，例如过滤器、检测器、开关，并控制光子传播时的延迟。格芯使用相同的制造技术和相同的制造结构，但是需要在非常非常低的温度下进行的，以确保这些是完全受控的光子。”

同时，当光子在芯片上传播时，必须有极低的损耗，但控制量子位的芯片只是在同一类型的晶圆厂中制造的硅基芯片。格芯使用的材料与普通 CMOS 处理中使用的材料不同，因为格芯以非常不同的方式处理这些光子。格芯使用浸没式光刻技术来创建这些波导，这是光子传播的地方，这种技术为光子提供了极其光滑的侧壁，因为完美的光子在沿着波导壁的侧面散射时会受到干扰。这与用于控制格芯的逻辑芯片和数据中心光子芯片的方法相同。

虽然量子计算系统的其他部分（如控制电子设备）往往是在非常小的节点上生产的，但 Yu 说量子芯片不会违反摩尔定律。“格芯在 45nm 上做了很多事情，很多人会认为这是落后的技术。”当然，并非所有基于硅的方法都会转移到量子计算领域，特别是因为它涉及波导损耗或单光子检测。单光子检测需要光子沿着“必须接近超导”的材料传播。Yu没有透露格芯在这一工艺步骤中使用的材料，但将其描述为“新的”并且“我们永远不会在任何其他传统 CMOS 技术中使用”。

综上所述，量子技术仍有希望。业内很多人认为，世界上第一台可用的量子计算机将在 2027 年到 2028 年的时间范围内上市。

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