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研究种类：Quantum Computing, Qubits
原文作者: Daniel Goldsmith
创作者：Zi Heng Lim@DAOrayaki.org
审核者：wonder@DAOrayaki.org
原文: Which technology will win the quantum race?
概述
在我的第一篇博客中，我解释了量子比特是如何成为经典量子比特的量子等效的。在这篇博客中，我会更深入探讨当今令人困惑的量子比特的范围。正如我们将看到的，量子比特其实可以用原子、固态、液态，甚至光子来实现。量子比特的家族树如下图所示：
量子设备内的量子比特可以被视为黑盒子。然而，你可能需要注意不同类型的量子比特有不同的优势和劣势。
我们正处于嘈杂的中等规模（NISQ）量子设备时代，噪声和规模都限制了可以进行的计算。一个量子比特需要对噪声有弹性，并在环境的相互作用下长时间保持其叠加性以及与其他量子比特的纠缠。一个量子位还需要有快速的操作和低错误率，所以才能以最小的错误进行许多门操作。双量子比特门操作，即一个量子比特控制另一个量子比特，由于与其他量子比特的交叉交谈，特别容易出现错误。
一些量子算法将需要数以千计，甚至数以百万计的量子比特，因此所有当代设备都需要一个计划来扩展量子比特的数量。量子设备的 "量子体积 "是一个反映量子比特数量和错误率的数字。
除了对错误的弹性和规模上的可扩展性外，一个量子比特可以连接到尽可能多的其他量子比特也很重要的。一些量子算法需要将每个量子比特与其他每个量子比特相连。我们可以通过将量子态从一个量子比特交换到另一个量子比特来克服有限的连接性，但这个过程有一个代价，那就是需要额外的双量子比特门。
在这篇博客中，我还会看一下量子计算的三种竞争范式。请注意，本篇博客必然包含一些读者可能希望跳过的技术细节。
原子量子比特
在离子阱和中性原子量子比特中，量子比特的两个量子态由原子中电子的两个不同能级表示。
离子阱量子比特
失去或获得一个电子的原子被称为离子，并且带电。尽管静态电场本身不能捕获离子，但离子可以被保罗粒子阱中的振荡电场捕获。一旦被捕获，我们就可以用激光将离子冷却，然后用不同频率的激光将其操纵成不同的量子态。Pennylane 的优秀教程中介绍了详细信息。制造捕获离子设备的公司包括 Quantinuum 和 IonQ，后者是剑桥量子公司和霍尼韦尔量子解决方案的组合。
采用离子阱量子比特的设备错误率相对较低，但这些设备的可扩展性目前尚不明确。离子阱的一项新技术是量子电荷耦合器件（QCCD）。在 QCCD 中，离子阱量子比特利用动态电场在不同的处理区之间进行来回穿梭。这可能看起来很麻烦，但类似的技术，即 CCD，使用在了目前最先进的詹姆斯·韦伯望远镜中的。2021 年， Quantinuum 公司就是使用这种复杂的技术来演示实时纠错。
中性原子（冷原子）量子比特
在中性原子量子比特中，单个原子被使用“光镊”的激光捕获并打乱。这种技术的一个优点是，由于中性原子没有电荷，所以没有电排斥力。它们可以被放在离彼此更近的位置，使设备更容易扩展。通过使用两个朝向相反位置的激光器，原子被冷却到一个非常低的温度，这也是为什么量子比特有时被称为“冷原子”。美国公司 ColdQuanta 和 Atom Computing 都在建造使用中性原子的设备。
在 2021 年，一个包括来自 ColdQuanta 的英国子公司和英国软件公司 Riverlane 的研究人员在内的团队，在一个中性原子量子计算机上演示了几种量子算法。六个量子比特被扫描在一个二维阵列上的紧密聚焦的激光束所固定。在 2022年 《自然》杂志的一篇论文中，有 24 个量子比特的量子纠错码也是用这种技术实现的。他们成功将纠缠的量子比特在一个可以容纳约2000个量子比特的体积上移动。而在量子比特失去一致性之前，可以进行数千次这样的移动，这表明中性原子是可以扩展的。
固态量子比特
基于超导体、硅、钻石氮空位（NV）中心、六方形的氮化硼，甚至是奇异的马约拉纳费米子的量子比特都依赖于对固态物理学的理解，因为这些量子比特是在固体晶体材料的薄片上制造的。
超导量子比特
超导量子比特是“人造原子”，其中量子比特的两个量子态由带有超导约瑟夫森结的电路中的不同共振振动来表示。这些超导量子比特的量子态与原子量子比特一样，需要保持在非常低的温度下由微波辐射的脉冲操纵。
当谷歌声称“量子霸权”时，正如我的第二篇博客所描述的，他们使用了一个 53 比特的超导设备。2021 年，IBM 宣布了一个打破当时纪录的 Eagle 超导设备，它有 127 个量子比特。IBM 计划在 2023 年推出具有 1121 个量子比特的 Condor 设备，到 2025 年推出具有 4158 个量子比特的 Kookaburra 设备。IBM 使用“重六边形”的量子比特布局法：其中每个量子比特与其他两个或三个量子比特相连：这与某些算法所需的 理想中的“全对全”连接相去甚远。以前的 IBM 处理器为每个量子比特配备了一套控制和读出电子装置，但这种设计并没有大规模使用。在他们最新的处理器中，IBM 已经成功将读出器复用。在英国，牛津量子电路公司在获得专利的三维超导透镜的基础上建立了超导计算机，这个带有 8 个量子比特的设备 “Lucy”在亚马逊 Braket 上有在售卖。
2022 年，麻省理工学院的研究人员展示了可用于将更多的超导量子比特放在一个芯片上的超薄材料，以减少交叉干扰。在伦敦设有英国子公司的 SEEQC 声称，他们的集成量子和经典处理器，以及他们在低能量使用、数字单通量子（SFQ）技术方面的专长，都将有助于扩展超导量子比特以及其他量子硬件。他们最近获得了 180 万英镑的政府资助来进行这项研究。
硅基量子比特
今天的电脑计算机中使用的固态芯片已经拥有数百亿个晶体管。如今有很多研究旨在利用现有的制造技术以硅为基础建造大规模的量子设备。2022 年，澳大利亚 Andrea Morello 教授的团队宣布：他们成功利用植入的磷原子制造出了硅量子比特，其无错率超过 99%。同年，荷兰的 QuTech 团队和日本的 RIKEN 团队也宣布了类似的精度。同样在 2022 年，荷兰 QuTech 公司和英特尔的一个联合团队报告说，他们在现有的半导体制造设施中制成功造了硅量子点量子比特。然而，所有这些基于硅的设备都是初号的原型，而且只带有少量的量子比特。
位于伦敦的英国公司 Quantum Motion 正在研究类似的技术。2021年，政府宣布为一个为期三年的 Altnaharra 项目提供 570 万英镑的资金，该项目由 Quantum Motion 量子运动公司领导，旨在设计一种可扩展的方法来解决和读出量子比特，用这种方法来为具容错性的集成量子计算机做准备。
钻石NV中心
氮空位（NV）中心是钻石晶格中的一个缺陷，由一个氮原子被空位的碳原子旁边的碳原子取代时形成。困在空位中的电子形成了一个 “色心”，它可以作为一个“人造原子”发挥作用。当施加磁场时，量子比特的两个量子态由 “色心”的不同能级表示。
单量子比特和双量子比特门是可行的。在双量子比特门中，原子的核自旋是目标门，所以门是不对称的。钻石 NV 中心门的错误率比上述其他量子比特略高。
钻石是在高温高压下形成的，钻石晶格中的每个碳原子都与其他原子有四个坚固、稳定的共价键。这减少了晶格振动并增加相干时间。因此，与其他固态技术不同，这类量子比特可以在更高温度下使用。2019 年，Zhang 的小组在室温下用两个钻石 NV 中心量子比特运行了一个量子算法。
由于 NV 中心能够与光子相互作用，它可以作为飞行的量子比特。因此基于钻石 NV 中心的量子比特很可能被部署在量子通信中，集成的核自旋量子比特提供有限的量子存储器。。2021 年，Pompili 带领一个位于代尔夫特的 QuTech 团队，他们成功利用钻石 NV 中心实现了一个三节点的量子网络。
六方氮化硼
剑桥大学开展的早期工作表明，二维六方氮化硼晶格中的缺陷在未来可能被用作室温的量子比特，类似于钻石 NV 中心的量子比特。
马约拉纳费米子
1937 年，意大利物理学家埃托里·马约拉纳假设，一个费米子可以是它自己的反粒子。费米子是一种具有一半自旋的粒子，例如电子。电子的反粒子是正电子。关于这些马约拉纳费米子是否真的存在，还有着很多争议。如果它们真的存在，那么它们可能在量子纠错的方面带来用处。当一个马约拉纳费米子围绕另一个马约拉纳费米子运动时，这对马约拉纳费米子的量子态会发生变化。由于量子状态取决于被称为“辫子”的粒子的运动历史，因此我们可以预测这些拓扑量子比特将比其他量子比特类型更能抵抗退相干，并将在量子纠错中发挥作用。
当然，在真实粒子的基础上制造量子比特是非常困难的，而当这种粒子甚至可能不存在时，事情就更难了。然而，拓扑量子比特被认为具有的优势吸引了微软的大量投资，在 2022 年，他们声称已经证明了建造可扩展的拓扑量子比特所需的物理学。早些时候，荷兰物理学家 Leo Kouwenhoven 声称在 2018 年观察到了一个马约拉纳费米子，但在 2021 年他撤回了这个说法。距离拓扑量子比特被商业化使用可能还需要很长一段时间。在此期间，微软 Azure 和亚马逊 Braket 一样提供对他人建造的量子计算机的云访问。
核磁共振
20 年前，当研究人员首次在量子计算机上对数字 15 进行因式分解时，在室温下的烧杯内合成的特殊分子被用作量子比特。量子位的量子态由磁场中不同核旋的能量表示。研究人员用共振射频（RF）脉冲刺激量子比特以制造单量子比特门，并利用两个相邻的电子共享核的耦合来产生双量子比特门。而且还有一项用于将量子比特调整到基态的复杂技术被开发出来了。核磁共振量子计算机今天并不经常使用，因为信噪比并没有得到很好的扩展。
光子学
光子非常稳定，不会退相干，可以作为飞行量子比特。正如 2021 年《自然》杂志的一篇短文所总结的：一个光子量子设备可以用环形谐振器、移相器、分束器和光子探测器等光学元件来构建。像钻石 NV 中心一样，光子计算机也可以在室温下运行，尽管它们经常在超低温下运行以提高其精度。
成立于英国的美国公司 PsiQuantum 和加拿大公司 Xanadu 的目标是在硅上建立容错的光子学计算机。ORCA 是一家位于伦敦白城的英国公司，它们以带专利的光子量子记忆体，使用现成的光学元件构建设备。
量子计算范式
大多数量子算法是为 “电路模型”设计的，每个量子比特在电路图中显示为一行，时间向右推进，也显示了量子门和测量。一个典型的电路模型如下图所示。
相比之下，在量子退火机中，量子比特是被连接在一个网络中的。我们想要解决的问题能够通过改变链接的强度来嵌入到退火计算机上，然后让计算机处于在一个低能量的状态，希望能代表解决方案。量子退火设备，如加拿大公司 D-Wave 制造的设备似乎很适合用来某些类型的优化问题，例如改善交通流量之类的。
如上所述，光子学设备使用的是第三种模式。由于光子之间不能很好地相互作用，一项巧妙的技术在 2014 年《自然》杂志的一篇论文中再现了量子门，以实现量子化学的计算。2022 年《Orca》的一篇有趣的论文描述了在经典计算机辅助下，光子计算机上运行的变异优化算法。
总结来说：
只有勇士才会预测哪种技术会在量子之赛中获胜。目前，具有超导和离子阱量子比特的设备以最高的量子体积在竞赛中领先。中性原子量子比特也正在逐渐取得进展。这场比赛将是漫长的，而且有足够的时间让目前的领先者被超越。
基于硅的量子比特虽然起步缓慢，但能够使用现有工艺制造量子比特可能会加速未来的进展。钻石 NV 中心似乎很适合用于量子通信。光子量子比特是一匹黑马。由于可扩展性问题，这场竞赛的早期领导者，也就是核磁共振正在失去地位。尽管六方氮化硼量子比特看起来很有前途，但它仍处于起步阶段。拓扑量子比特也在起步阶段，但如果它们能够成功发展，其纠错特性意味着它们可能会迅速赶上。同时，量子退火范式似乎很适合优化算法，而电路模型和光子计算机可以应用于更广泛的算法。
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