2月6日，《自然》杂志新闻板块（Nature News）发表文章《劣势技术在实现量子计算机这场竞赛中占得先机》，对量子计算的现状进行总结。文章指出，光镊技术近期取得了巨大的飞跃，正在成为量子计算物理体系的有力竞争者。全文意译如下：
构建实用化量子计算机的竞赛可能正在进入一个新的阶段。一些领先的技术正面临着尺寸的限制，而其他一些技术则在迅速赶上。
多年来，有两种领先的技术使物理学家能够通过在器件上引入越来越多的量子比特，即计算机内存比特的量子等效，来实现进展。其中一种技术就是将量子比特编码为超导回路中的电流。另一种则是利用电磁场囚禁在真空中的单离子的激发态。
但是在过去的两年中，一种通过由激光制成的镊子来操控的单个中性原子（相对于离子）组成的量子比特突然变得很有竞争力。而处于更早期发展阶段的其他技术尚可迎头赶上。
荷兰代尔夫特理工大学量子研究所QuTech的理论物理学家Barbara Terhal说：“超导量子比特和离子阱量子比特做了最先进的实验，且控制了最多的量子比特。然而，这并不能保证这些平台会一直处于领先地位。”
对量子比特的探索
量子计算机承诺通过利用诸如量子叠加，即一个物体可以同时处于两个状态，例如顺时针或逆时针旋转，等等现象来解决经典机器无法解决的问题。物理学家将这类态称为量子比特，以将它们区别于只能是' 0 '或' 1 '的普通比特。
量子态是出了名的脆弱。在一台量子计算机中，它们携带的信息可以是几个量子比特扩展形成的纠缠态，并会随着计算的进行而退化或丢失。为了尽可能长时间地保持这些量子态，量子比特必须与其环境隔离。但是它们又不能太相互孤立，因为它们必须相互作用才能执行计算。
结合其他因素，这使得构建一台有用的量子计算机极其有挑战。但在QuTech研究主任Lieven Vandersypen看来，这个领域比10年前预期的发展更快，他说：“进展其实是令人印象深刻的。”
谷歌在2019年登上头条新闻。当年他们声称一台由54个超导量子比特组成的机器完成了第一个量子计算，而该计算在一台经典计算机上则需要无法想象长的时间。这项成就被研究者们称为量子优势。在超导量子比特方面投入巨资的科技公司IBM预计将在未来几个月达到一个里程碑，届时它将推出一个名为Condor的量子芯片，该芯片将首次突破1000个量子比特。
去年11月，IBM宣布了其先前的芯片—— 433量子比特的鱼鹰——这是2021年创下纪录的127量子比特的后续工作。纽约约克敦高地IBM Thomas J . Watson研究中心领导量子计算机项目的Jerry Chow说：“我们真的想要制定一个像你所期望的半导体行业那样的路线图。”
质与量
Chow说，IBM的目标不仅是增多量子比特的数量，还要提高它们的质量。他表示，该公司的一些超导元件可以保持其量子态超过300微秒，这也是该技术的一个纪录。在另一个关键指标上，在涉及两比特的操作中，99.9 %的操作已是无错误的。
一旦芯片上的超导量子比特数量远远超过1000时再增多量子比特将不切实际，因为每个量子比特需要单独连接到外部电路上进行控制和读取。因此，IBM将采取模块化方法解决。从2024年开始，它们所做的每一步的目标将不再是增加芯片上的量子比特数量，而是将多个芯片连接到一台机器上。如果这些连接要保证所携带的量子态不受损，或需要协助量子比特在独立芯片上相互纠缠，这项工作将并不简单。这些芯片被放置在巨大的装置的中心，而这些装置则被安装在低温系统中，使芯片接近0开尔文。
与超导计算机相比，离子阱计算机可能具有更严格的尺寸限制，部分原因是它们需要一个单独的激光装置来控制每个离子。通常情况下，这意味着将阱限制在每个芯片每行32个离子左右。但是马里兰大学帕克分校的创业公司Ion Q表示，它的方法能够将多排离子打包成一个芯片，有望达到多达1024个量子比特。在该范围以上，Ion Q也计划采用模块化的方式，连接多个芯片。据该公司的一位发言人说，在实验室实验中，捕获离子阱的保真度已高达99.99 %。
光镊技术
另一种技术几年前还几乎不被关注，而如今也有望很快打破1000比特的障碍。它称为光镊，利用紧聚焦的激光束捕获中性原子，并在原子的电子态或原子核的自旋态上编码量子比特。马萨诸塞州剑桥的哈佛大学物理学家Giulia Semeghini说：“这种方法已经逐渐发展了十多年，但现在它正在‘蓬勃发展’。”
为了组装多个量子比特，物理学家将一束激光分成许多份，例如通过液晶制成的屏障。这样可以构造数百个镊子的阵列，每个镊子即可捕获自己的原子。原子通常距离其近邻几微米，在那里它们可以维持其量子态数秒或更长时间。为了使原子相互作用，物理学家用一个单独的激光指向其中的一个原子，使其进入激发态，这样使得原子的一个外层电子比正常情况更远离原子核。这便增强了相邻原子之间的静电相互作用。
利用光镊，研究人员已经构建了超过200个中性原子的阵列。并且，他们正在迅速地结合新的和现有技术，将其变成完全工作的量子计算机。
该技术的一个主要优点是物理学家可以通过所携带的原子组合多种类型的光镊，包括一些可以快速移动的光镊。哈佛大学物理学家Dolev Bluvstein说：每次你想让两个量子比特相互作用，你就把它们放到一起。这使得该技术比其他平台（如超导体）更加灵活，每个量子比特只能与其芯片上直接相邻的原子相互作用。包括Semeghini和Bluvstein在内的合作团队于2022年4月的一篇论文中展示了这种灵活性[1]。
Semeghini表示，基于光镊的量子比特应该很快达到99 %无差错，尽管进一步的改进将需要大量的工作。
中性原子的进展速度令量子计算界震惊。位于合肥的中国科学技术大学（USTC）的物理学家陆朝阳说：“到上千个原子量子比特的路径是明确的，很可能在两年内实现。”
自旋操控
其他量子比特技术虽然尚处于起步阶段，但也在稳步推进。一种方法是在诸如硅等传统半导体中通过电场囚禁单个电子的自旋中编码信息。去年，Vandersypen和他的合作者演示了一种完全工作的六量子比特机器[2]。与光镊的情况一样，电子自旋可以在器件周围穿梭，按需将它们带到彼此附近。但也跟其他类型的量子比特一样，一个主要的困难是控制自旋在不需要时不相互影响，这便被物理学家称之为串扰。
基于半导体的量子比特的好处是能够在生产当前计算机芯片的同一类型工厂中制造芯片。不过，由澳大利亚悉尼新南威尔士大学的物理学家Michelle Simmons领导的团队则使用自动扫描隧道显微镜的尖端，逐个原子组装器件。她说：“一切都以亚纳米级的精度进行设计。”
还有一种方法仍处于概念阶段，但它已获得大量投资，特别是微软。该技术旨在利用拓扑态使量子比特对退相干具有鲁棒性，就像一个可以被扭曲和拉扯而不能解开的绳结。2020年，研究者观察到了一种拓扑保护的基本物理机制，目前他们正致力于演示第一个拓扑量子比特。
Vandersypen说：“今天探索的每一个物理平台都有一些希望，但发展它们可能需要你无法预测而又非常新颖的想法。”研究多种量子计算方法的物理学家潘建伟对此表示赞同，当谈到开发量子计算机的竞赛时，“现在说哪个平台会胜出还为时过早。”
[1] Bluvstein, D. et al. Nature 604, 451–456 (2022).
[2] Philips, S. G. J. et al. Nature 609, 919–924 (2022).
原文链接：