量子计算的下一步是什么

多年来，关于量子计算的信息一直是媒体头条。谷歌和IBM的研究人员就谁取得了什么成就以及是否值得付出努力发生了争执。但是，争论谁拥有最大处理器的风光似乎销声匿迹：很多公司正在潜心苦干，为现实世界的应用争取准备。突然间，每个人都表现得像大人一样。似乎是为了强调研究人员希望摆脱炒作。

IBM预计将在2023年宣布一款处理器，该处理器将扭转将更多量子比特投入使用的趋势。量子比特是量子计算机的处理单元，可以由多种技术构建，包括超导电路、俘获离子和光量子。

STEPHANIE ARNETT/MITTR; GETTY

IBM长期以来一直在追求超导量子比特，该公司多年来在增加芯片上可以封装的数量方稳健前进。例如，在 2021 年，IBM 推出了一个破纪录的127个量子位。11月，它推出了433量子位Osprey处理器，该公司的目标是在2023年发布一款名为Condor的1，121量子位处理器。

2023年，IBM预计也将推出其Heron处理器，该处理器只有133个量子位。这可能看起来像是倒退，但正如该公司热衷于指出的那样，Heron的量子比特将具有最高质量。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，预示着从单个量子计算芯片向由多个连接在一起的处理器构建的“模块化”量子计算机的转变 ——此举有望帮助量子计算机显著扩展。

Heron是量子计算行业更大转变的信号。一些专家认为，由于最近的一些突破、积极的路线图和高水平的资金，我们可能会比许多人几年前预期的更早看到通用量子计算机。“总的来说，事情肯定在快速发展，”滑铁卢大学量子计算研究所副所长Michele Mosca说。

以下是专家们希望看到进展的几个领域。

# 将量子计算机串在一起

IBM的Heron项目只是进入模块化量子计算世界的第一步。这些芯片将与传统电子设备连接，因此它们将无法在信息从一个处理器移动到另一个处理器时保持信息的“量子性”。但希望是，这些芯片最终通过量子友好型光纤或微波连接连接在一起，将为具有多达一百万个连接量子比特的分布式大规模量子计算机开辟道路。这可能是运行有用的、纠错的量子算法所需的数量。“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，”IBM量子硬件系统开发总监Jerry Chow说。

其他公司也开始了类似的实验。“将东西连接在一起突然成为一个大主题，”PsiQuantum的首席科学官Peter Shadbolt说，该公司使用光子作为量子比特。PsiQuantum正在对基于硅的模块化芯片进行最后的润色。Shadbolt表示，它需要的最后一部分——极快，低损耗的光开关——将在2023年底之前得到充分展示。“这给了我们一个功能完整的芯片，”他说。然后可以开始仓库规模的建设：“我们将把我们正在制造的所有硅芯片组装在一起，形成一个建筑规模的高性能计算机系统。”

在处理器之间穿梭量子比特的愿望意味着，一种有点被忽视的量子技术现在将脱颖而出，SandboxAQ的首席执行官Jack Hidary 表示，SandboxAQ是一家去年从Alphabet剥离出来的量子技术公司。他说，量子通信，其中相干量子比特在数百公里的距离上传输，将成为2023年量子计算故事的重要组成部分。

“扩展量子计算的唯一途径是创建几千个量子位的模块，并开始将它们连接起来以获得连贯的链接，”Hidary告诉《麻省理工学院技术评论》。“这可能是在同一个房间里，但也可能是跨校园，也可能是跨城市。我们从经典世界中知道分布式计算的力量，但对于量子，我们必须有相干的链接：要么是带有量子中继器的光纤网络，要么是连接到地面站和卫星网络的一些光纤。

近年来已经演示了其中许多通信组件。例如，2017年，中国的墨子号（Micius）卫星表明，相距1，200公里的节点之间可以实现相干量子通信。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种量子中继器，该中继器可在 600 公里的光纤上有效传递量子信息。

# 重视软件

对于所有硬件的进步，许多研究人员认为需要更多地关注编程。“与我们需要10年的工具箱相比，我们的工具箱绝对是有限的，”总部位于波士顿的量子软件公司Zapata Computing的Michal Stechly说。

代码在云可访问的量子计算机上运行的方式通常是“基于电路的”，这意味着在进行最终量子测量之前，从而给出输出数据会经过一系列特定的预定义量子操作。这对算法设计者来说是有问题的，Fitzsimons说。传统的编程例程往往涉及循环一些步骤，直到达到所需的输出，然后进入另一个子例程。在基于电路的量子计算中，获得输出通常会结束计算：没有再次循环的选项。

Horizon Quantum Computing是一直在构建编程工具以允许这些灵活计算例程的公司之一。“这让你在能够运行的东西种类方面进入了一个不同的制度，我们将在来年开始推出抢先体验，”Fitzsimons说。

总部位于赫尔辛基的Algorithmiq也在编程领域进行创新。“我们需要非标准框架来编程当前的量子设备，”首席执行官Sabrina Maniscalco说。Algorithmiq新推出的药物发现平台Aurora将量子计算的结果与经典算法相结合。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作的方式。该公司表示，它希望在2023年实现有用的量子优势——证明量子系统可以在现实世界的相关计算中超越经典计算机。

# 承担噪音

在业界连接量子比特的同时，它也正在摆脱过去五年中流行的想法—— 只有几百个量子比特的芯片可能能够进行有用的计算，即使噪声很容易破坏它们的运行。

这个概念被称为“嘈杂的中尺度量子”（NISQ），本来是看到量子计算的一些短期好处的一种方式，可能在达到大规模量子计算机的理想之前几年，该计算机有数十万个量子比特专门用于纠正错误。但对NISQ的乐观情绪似乎正在消退。“希望这些计算机可以在你进行任何纠错之前使用，但重点正在转移，”总部位于新加坡的Horizon Quantum Computing首席执行官Joe Fitzsimons说。

一些公司正在瞄准经典的纠错形式，使用一些量子位来纠正其他量子位的错误。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，证明量子比特可以组装成优于底层物理量子比特的纠错集成。

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“容错”，而没有那么多的开销。例如，IBM一直在探索表征其机器中引起错误的噪声，然后编程以减去它（类似于降噪耳机的作用）。它远非一个完美的系统——该算法的工作原理是对可能发生的噪声的预测，而不是实际显示的内容。但它做得不错，Chow说：“我们可以构建一个纠错代码，资源成本要低得多，这使得纠错在短期内变得平易近人。

总部位于马里兰州的IonQ正在建造捕获离子量子计算机，正在做类似的事情。“我们的大多数错误都是我们戳离子和运行程序时强加的，”IonQ首席科学家Chris Monroe说。“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。

# 全球竞争

政策方面也可能发生变化。包括美国商务部负责工业和安全的副部长Alan Estevez在内的政府代表暗示，围绕量子技术的贸易限制即将到来。

Quantinuum首席运营官Tony Uttley表示，他正在与美国政府积极对话，以确保这不会对这个仍然年轻的行业产生不利影响。“我们系统中大约80%是我们从美国以外购买的组件或子系统，”他说。“对他们进行控制无济于事，我们不想在与世界其他国家的其他公司竞争时让自己处于劣势。

而且有很多竞争对手。就在2022年中国搜索公司百度开放了对10个超导量子位处理器的访问，希望这将有助于研究人员将量子计算应用于材料设计和药物开发等领域。该公司表示，它最近完成了36量子位超导量子芯片的设计。“百度将继续在整合量子软硬件方面取得突破，促进量子计算的产业化，”该公司发言人告诉《麻省理工学院技术评论》。科技巨头阿里巴巴也有研究人员使用超导量子比特进行量子计算。

在日本，富士通正在与理研研究所合作，在2023年4月开始的财政年度为企业提供该国第一台国产量子计算机。它将有64个超导量子比特。“最初的重点将放在材料开发，药物发现和金融方面的应用上，”富士通研究量子实验室负责人Shintaro Sato说。

然而，并不是每个人都在走这条老生常谈的超导道路。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）。很大一部分将用于光子学技术——用于基于卫星的量子通信和创新的“qudit”光子学计算。

Qudits 扩展了量子比特的数据编码范围——它们提供三个、四个或更多的维度，而不仅仅是传统的二进制 0 和 1，而不必增加错误产生的范围。“这种工作将使我们能够创造一个利基市场，而不是与其他地方已经发生几十年的事情竞争，”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。

尽管事情变得越来越严重，并且具有国际竞争力，但量子技术目前在很大程度上仍然是协作性的。“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，”Monroe说。“我们没有零和博弈的心态：那里有不同的技术，处于不同的成熟度，我们现在都在一起玩。在某个时候会有某种整合，但还没有。