致命缺陷！谷歌實現量子霸權的超導量子比特，或將敗於光子量子比特

新聞 12-03

新智元報道

來源：arstechnica

作者：CHRIS LEE 編譯：肖琴

【新智元導讀】聲稱已經實現了量子霸權的谷歌，以及IBM等都選擇了相同類型的硬體作為其量子計算工作的基礎。然而，量子計算領域有一些可能的贏家和一些確定的輸家，這可以歸結為工程學，因為在性能方面，工程比物理更重要。本文討論了不同類型量子計算的原理，來新智元AI朋友圈和行業大咖討論吧～

上個月，谷歌宣稱已經實現了量子霸權(quantum supremacy)——這個誇張的名字被用來證明量子計算機可以完成傳統計算機無法完成的任務。這一說法仍有爭議，因此我們可能需要更充分的論證。

與上述聲明無關，值得注意的是，谷歌以及其批評者IBM都選擇了相同類型的硬體作為量子計算工作的基礎。還有一家規模較小的競爭對手Rigetti也是如此。所有這些都表明，量子計算的前景在過去十年中已經趨於穩定。現在，我們可以選出一些可能的贏家和一些確定的輸家了。

為什麼贏家會贏，輸家會輸？

但為什麼贏家會贏，輸家會輸呢?

最後，這個故事都可以歸結到工程學上。一台實用的量子計算機要求我們能創造許多量子比特(qubits)。這些量子比特必須保持在一個量子態以進行多個門操作。門操作(gate operation)要求我們能夠在單個的基礎上和在成組(或至少成對)中操縱量子比特。當然，你必須要能夠讀出計算結果。

在液體、里德伯原子、玻色-愛因斯坦凝聚態(BECs)、固態系統、鑽石中的氮空位、硅中缺陷、俘獲離子、光，當然，還有超導環中，許多這些單獨的特性已經被證明可以利用量子比特來工作。這個列表是不完整的，但是，這些選項中的大多數是一潭死水，有很充分的理由可以這樣說。雖然量子比特的行為是由單個量子比特級的物理決定的，但一旦考慮到可擴展性，工程就真的很重要，而且這些選項中很多都不太適合可擴展性。

隨機性是不好的

2010年左右，氮-空位中心、硅空位(耗時更長)和固態材料處於領先地位。這些材料的工作原理都很相似：在晶體中加入少量污染物。氮被加入到金剛石中，磷被加入到硅中，鐿被加入到釔鋁石榴石晶體中。

每種材料中的量子比特都是由類似的物理原理構成的。污染物質不能滿足鄰近原子的鍵合要求，會留下一個孤立的電子或帶正電荷的原子核(離子)。這些孤立對象的狀態可以用作一個量子比特，並且它的狀態可以持續很長時間。

但是這些技術也有根本性的缺陷。金剛石氮-空位中心就是一個很好的例子。每個量子比特由一個電子組成，這個電子由於氮無法與第四個碳原子結合而掛在那裡。這個電子是用光學定址(設置和讀取)的。因此，第一個問題是在晶體中搜索少數可以單獨處理的孤立空位。光學定址量子比特意味著空位離得太遠就不能直接耦合，因此量子比特的操作和糾纏必須通過光和微波光子來完成。不幸的是，微波發射會耦合所有的量子比特，降低了量子比特掃描的控制精度。

更糟糕的是，每個空位都是不同的。空位的量子性質取決於圍繞它的原子的精確排列和類型。例如，在金剛石中，碳的兩種常見同位素提供了足夠的差異，使得碳13的存在會改變附近量子比特的性能。為了使量子比特相同，需要施加局部磁場，這會改變數子比特的能級。這需要在附近的導線中通過相對較強的電流來實現，但同時要隔離影響，以免影響其他量子比特。

從本質上講，每一顆金剛石都會產生一台不同的計算機，具有不同的量子比特排列方式和不同的性質。確保局部磁場對目標量子位元是真正局部的，這樣的布線似乎非常困難。然後，你必須設計微小的透鏡陣列(直接研磨到鑽石表面上)，將所有的量子比特與外部世界耦合。

這些問題幾乎適用於所有基於空位的量子比特系統，這就是為什麼我們對它們的了解越來越少。

固體太過複雜

離子在晶體中的情況，例如釔鋁石榴石中的鐿，有點不同。在這裡，量子態通常不存儲在單個鐿離子中。相反，這種狀態散布在離子群中，這使得它難以置信的強大——是壽命最長的量子態之一。但是，這也使得定義量子比特的位置變得有點困難。事實上，該位置是由光學定義的，聚焦於用於設置和讀取量子態的光。

從本質上講，量子比特狀態是由與晶體內的許多離子相互作用的光脈衝設置的。要產生更多的量子比特需要相當複雜的光學裝置。這種複雜程度甚至沒有考慮到糾纏量子比特和產生門運算的要求。再次，這個工程對全量子計算機不利。另一方面，這些晶體可以製造出非常棒的量子存儲器，並且很有可能在有限的領域中得到應用。

離實際越遠，外部的機會就越多；例子包括里德伯原子和玻色-愛因斯坦凝聚態(BECs)。

里德伯原子(Rydberg atoms)是通過激發原子中最外層的電子到高能狀態而產生的。在這種狀態下，電子的軌道更像是一顆圍繞恆星的行星。可以通過管理不同里德伯狀態之間的轉換來創建量子比特。可以通過光脈衝和光發射來設置和讀取狀態。冷里德伯原子可以被光學器件捕獲，將它們固定在一個位置，使它們能夠通過光學系統進行定址。

不幸的是，它們的性質使它們不能直接相互作用，所以量子運算必須通過光子的交換來完成。這就像晶體中的離子一樣，使得光學系統和計算過程比成功的系統要困難得多。但製造這些量子比特也有困難。以相同的起始狀態獲得大量的里德伯原子絕非易事。

非常明確的獲勝品質

現在將其與離子阱量子計算機和超導量子比特計算機進行比較。在離子阱的情況下，量子態被存儲在單個離子阱中，並從其中讀取信息。量子比特可以通過它們在阱中的運動直接相互作用，也可以通過光和微波的發射和吸收相互作用。該光學定址系統仍然很複雜，但是通過使用微波和阱運動來處理一些操作，它已經大大簡化了。這足以在工程上可行。

製造超導量子比特。它們可能是所有量子比特競爭者中量子特性最差的。然而，它們的製造也給了我們很大的控制權。門操作、設置和讀取量子比特狀態以及存儲操作都可以設計成儘可能長時間地保持計算機的功能。正是這種控制感讓工程師們有信心開始擴大量子比特的數量。

光子量子比特是這三種似乎成功的量子比特中最古怪的一種。光子量子比特不會靜止不動，所以門操作要求出色的實際，兩個或兩個以上的量子比特必須在空間和時間上重疊。這一要求使得光子電路的設計具有挑戰性。但是，給定一個所需的計算機程序，就可以設計一個光子電路。

問題是使光子電路可編程。這很困難，但不是那種讓工程師尖叫著跑開的挑戰。因此，從這個意義上講，光子量子比特仍然有很好的機會留在其中。

成本為王

我們最終會採用一種技術來統治它們嗎？我認為在很大程度上是的，一種技術將會佔據主導地位。而且，我認為光子量子計算機將會勝出，即使超導量子比特目前佔據統治地位。從本質上說，這歸結於成本：超導量子比特板的生產成本比離子阱計算機或光子電路低得多。但光子電路就像集成電路，其成本隨著規模的擴大而降低。所以從數量上看，價格差異很小。

然後是運營成本。離子阱計算機需要真空系統和昂貴的泵系統，而超導量子比特需要在液氦溫度下工作。不僅氦昂貴，稀釋冰箱也不便宜。光子電路沒有這些成本。

是的，光子電路在設計上面臨著挑戰，但一旦克服了這些挑戰，光子電路的成本將大大降低。冒著聽起來像未來主義者的風險，我認為前兩到三代將是超導量子比特和離子計算機的混合體，然後光子量子計算機將大幹一場。到了第四代，就沒什麼人知道什麼是超導量子比特了。

所以，現在你知道了：我很感謝光刻機，它讓我們有機會打造一台很棒的基於光學的量子計算機。

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