逍遥科技 | 编译自 MIT Technology Review

商业公司正在从创造量子比特记录转向实用硬件和长期目标

2023年，量子计算的进展将不再由大型硬件的公告来彰显，而是由研究人员巩固多年的辛勤工作，让芯片相互交谈，同时在该领域变得越来越国际化的情况下，摆脱企图用噪音来解决问题的模式。

多年来，量子计算的新闻总是周期性的被关于创纪录系统的头条新闻所主导。谷歌和IBM的研究人员曾为谁取得了什么成就而争论不休。但争论谁有最大的处理器的时代似乎已经过去了：公司正低头准备在现实世界中生活，突然之间每个人都表现得像个大人了。

似乎是为了强调研究人员有多想离开量子计算炒作的列车，IBM预计将在2023年宣布一种处理器，该处理器不再是像以前那样宣示多少多少的量子比特（or "qubits"） 已经投入使用。量子比特，即量子计算机的处理单元，可以由各种技术构建，包括超导电路、被困的离子和光子，即光的量子粒子。

IBM长期以来一直在追求超导量子比特，多年来，该公司在增加芯片上可容纳的数量方面一直在取得稳步进展。例如在2021年，IBM推出了一个有127个的创纪录的超导量子比特。11月，它首次推出了433比特的Osprey处理器，该公司的目标是在2023年发布一个名为Condor的1121比特的处理器。

但是今年，IBM也有望首次发布其Heron处理器，它将只有133个量子比特。这可能看起来是一个倒退，但正如该公司热衷于指出的，Heron的量子比特将是最高质量的。而且，至关重要的是，每个芯片将能够直接连接到其他Heron处理器，预示着从单一量子计算芯片向由多个处理器连接而成的 "模块化 "量子计算机的转变，此举有望帮助量子计算机大幅扩展。

Heron是量子计算行业更大转变的一个信号。一些专家表示，由于最近的一些突破，以及积极的路线图和高水平的资金投入，我们可能比许多人几年前预期的更早看到通用量子计算机。滑铁卢大学量子计算研究所副所长Michele Mosca说："总的来说，事情肯定在快速的进展中。“

以下是专家们期望看到进展的几个领域：

把量子计算机串起来

IBM的Heron项目只是进入模块化量子计算世界的第一步。这些芯片将与传统的电子器件连接，因此它们将无法在信息从一个处理器转移到另一个处理器时保持其 "量子性"。但是，人们希望这种芯片，最终用对量子友好的光纤或微波连接在一起，将打开通往分布式大规模量子计算机的道路，其连接的量子比特多达一百万。这可能是运行有用的、纠错的量子算法所需要的数量。IBM量子硬件系统开发部主任Jerry Chow说："我们需要在规模和成本上都能扩展的技术，因此模块化是关键。“

其他公司也在开始类似的实验。PsiQuantum公司的首席科学官Peter Shadbolt说："把东西连接在一起突然成为一个大主题“。该公司使用光子作为其量子比特。PsiQuantum公司正在对一个基于硅的模块化芯片进行最后的润色。Shadbolt说，它所需要的最后一块（一个极快的、低损耗的光开关）将在2023年底前得到充分证明。他说："这给了我们一个功能完整的芯片。然后可以开始仓库规模的建设。"我们将利用我们正在制造的所有硅芯片，把它们组装在一起，这将是一个仓库规模的高性能计算机系统。"

去年从Alphabet分拆出来的量子技术公司SandboxAQ的首席执行官Jack Hidary表示，在处理器之间穿梭的愿望意味着一种有点被忽视的量子技术现在将进入人们的视野。他说，量子通信，即相干的量子比特在数百公里的距离上传输，将是2023年量子计算故事的一个重要部分。

Hidary告诉《麻省理工科技评论》："规模化量子计算的唯一途径是创建几千个量子比特的模块，并开始将它们连接起来，以获得相干的联系。这可能是在同一个房间里，但也可能是在整个校园，或在不同的城市。我们从传统世界知道分布式计算的力量，但对于量子来说，我们必须有相干链接：要么是带有量子中继器的光纤网络，要么是一些通往地面站和卫星网络的光纤。"

近年来，许多这样的通信组件已经得到了展示。例如，在2017年，中国的Micius通讯卫星显示，在相隔1200公里的节点之间可以完成相干的量子通信。而在2022年3月，一个由学术和工业研究人员组成的国际小组展示了一个量子中继器，在600公里的光纤上有效地转发了量子信息。

应对噪音

在该行业将量子比特连接起来的同时，它也正在远离过去五年中流行的一个想法 -- 即只有几百个量子比特的芯片可能能够进行有用的计算，尽管噪音很容易破坏它们的运作。

这个概念被称为 "嘈杂的中尺度量子"（NISQ），本来是一种从量子计算中看到一些短期利益的方法，可能在达到拥有数十万个量子比特专门用于纠正错误的大规模量子计算机的理想之前的几年。但对NISQ的乐观情绪似乎正在消退。总部设在新加坡的地平线量子计算公司的首席执行官Fitzsimons说："希望在你做任何纠错工作之前，这些计算机就能很好地使用，但重点正在从这一点上转移开。“

一些公司正在瞄准传统的纠错形式，使用一些量子比特来纠正其他比特的错误。去年，谷歌量子人工智能和由霍尼韦尔和剑桥量子计算公司成立的新公司Quantinuum都发表了论文，证明量子比特可以被组装成纠错组合，其性能优于基础物理量子比特。

其他团队正试图看看他们是否能找到一种方法，使量子计算机具有 "容错性"，而没有那么多的开销。例如，IBM一直在探索描述其机器中的错误诱发噪音，然后用编程的方式减去它（类似于降噪耳机的作用）。这远不是一个完美的系统 -- 算法的工作原理是预测可能发生的噪音，而不是实际出现的情况。但它做得很好，Chow说："我们可以建立一个纠错代码，资源成本低得多，使纠错在短期内可以实现。"

总部位于马里兰州的IonQ公司，正在建造陷落离子量子计算机，正在做类似的事情。IonQ公司的首席科学家Chris Monroe说："我们的大部分错误都是我们在探究离子和运行程序时强加的，这种噪音是可知的，不同类型的缓解措施使我们能够真正推动我们的数字。"

认真对待软件

对于所有的硬件进展，许多研究人员认为，需要对编程给予更多的关注。位于波士顿的量子软件公司Zapata Computing的Michal Stechly说："与我们10年后需要的东西相比，我们的工具箱绝对是有限的。“

代码在云端量子计算机上的运行方式通常是 "基于电路的"，这意味着在进行最后的量子测量之前，数据要经过一系列特定的、预定的量子操作，从而得到输出。Fitzsimons说，这对算法设计师来说是个问题。传统的编程程序往往涉及循环一些步骤，直到达到所需的输出，然后进入另一个子程序。在基于电路的量子计算中，得到一个输出通常就结束了计算：没有再循环的选择。

地平线量子计算公司是一直在建立编程工具以允许这些灵活的计算程序的公司之一。Fitzsimons说："就你能够运行的事物的种类而言，这让你进入了一个不同的体制，我们将在明年开始推出早期访问"。

位于赫尔辛基的Algorithmiq公司也在编程领域进行创新。首席执行官Sabrina Maniscalco说："我们需要非标准的框架来为当前的量子设备编程。Algorithmiq公司新近推出的药物发现平台Aurora，将量子计算的结果与传统算法相结合。这种 "混合 "量子计算是一个不断增长的领域，它被广泛认为是该领域可能长期运行的方式。该公司表示，它预计将在2023年实现有用的量子优势，即证明量子系统在现实世界的相关计算中可以胜过传统的计算机。

世界各地的竞争

在政策方面也可能会有变化。包括美国负责工业和安全的副部长Alan Estevez在内的政府代表已经暗示，围绕量子技术的贸易限制即将到来。

Quantinuum公司的首席运营官Tony Uttley说，他正在与美国政府积极对话，以确保这不会对依旧是一个年轻的行业产生不利影响。他说："我们的系统中大约80%是我们从美国以外购买的部件或子系统。对它们进行管制没有帮助，我们不想在与世界其他国家的其他公司竞争中，使自己处于不利地位。"

而且，全球有很多竞争对手。去年，中国搜索公司百度，开放了一个10个超导量子比特的处理器，它希望能帮助研究人员将量子计算应用于材料设计和药品开发等领域。 该公司表示，它最近已经完成了36量子比特的超导量子芯片的设计。"百度将继续在整合量子软件和硬件方面取得突破，促进量子计算的产业化，"该公司的一位发言人告诉《麻省理工科技评论》。科技巨头阿里巴巴也有研究人员在用超导量子比特进行量子计算。

在日本，富士通公司正与理研研究所合作，在2023年4月开始的财政年度向企业提供该国第一台国产量子计算机的使用权。它将有64个超导量子比特。富士通研究院量子实验室负责人Shintaro Sato说："最初的重点将是材料开发、药物发现和金融方面的应用。“

然而，并不是每个人都在走这条好的超导道路。2020年，印度政府承诺在量子技术上花费800亿卢比（宣布时为11.2亿美元）。其中很大一部分将用于光子技术 -- 基于卫星的量子通信，以及创新的 "qudit " 光子计算。

夸量子比特（qudits）扩大了量子比特 (qubits) 的数据编码范围 -- 它们提供了三个、四个或更多的维度，而不仅仅是传统的二进制0和1，但不一定会增加错误发生的范围。印度班加罗尔拉曼研究所量子信息和计算实验室负责人Urbasi Sinha说："这类工作将使我们能够创造一个利基，而不是与其他地方已经进行了数十年的工作竞争。

尽管事情越来越严重，国际竞争也越来越激烈，但目前量子技术在很大程度上依旧是合作性的。Monroe说："这个领域的好处是，竞争很激烈，但我们都认识到这是必要的。 我们没有零和游戏的心态：那里有不同的技术，处于不同的成熟度，而我们现在都在一起玩。在某些时候，会有某种整合，但现在还没有。"