哪把“钥匙”能打开未来“大门”——“解读量子计算新进展”

2025-01-09 09:36:33 来源：中国科技网

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量子计算作为下一代信息处理技术的重要方向，正受到各国高度重视。量子芯片是量子计算机的数据处理器，是实现量子计算的核心。近年来，基于不同物理原理的量子芯片不断涌现。

2024年12月上旬，谷歌（Google）公司推出其最新量子芯片“威洛”（Willow），引发全球舆论的高度关注。这或许代表了通往量子计算的某条路径有所突破，但最终哪把“钥匙”能真正打开量子计算的“大门”仍未可知。

技术路径“百花齐放”

“芯片化、集成化是量子计算机由实验装置走向实用的必然趋势。”上海交通大学教授、图灵量子创始人金贤敏介绍，量子芯片可按照其所用量子比特的类型分类，目前有三大主流技术路径——超导、光量子和离子阱。近年来，中性原子量子比特技术有所发展，可能成为第四大路径。

美国国际商用机器公司（IBM）、Google等企业将超导量子芯片作为主要攻关方向。2019年1月，IBM发布全球首台完全集成的通用量子计算机——“IBM Q System One”，其芯片包含20个超导量子比特。同年，Google借助包含53个超导量子比特的“悬铃木”（Sycamore）量子芯片，率先演示量子霸权。最近大火的Willow也是超导量子芯片。

2021年，加拿大量子计算企业Xanadu推出8个比特的X8光量子芯片，拉开了光量子计算商业化的序幕。2022年6月，Xanadu使用可编程光量子芯片Borealis，展示了量子计算优越性。

2015年，专注于研制离子阱量子计算机的IonQ公司创立。2020年，IonQ发布了一个包含11个量子比特的量子芯片，宣称其实现了比Google更高的量子优越性。IonQ之后又相继发布包含20个量子比特、32个量子比特的芯片。在IonQ之后，美国霍尼韦尔子公司Quantinuum等也加入了研制离子阱量子芯片的行列。

近几年，中性原子技术路径也开始崛起。美国、法国等国研究团队相继在这一领域取得进展。

“此外，硅基量子比特、拓扑量子比特等技术也在发展之中，但与超导、光量子等主流路径相比，仍处于非常早期的阶段。”金贤敏说。

科大国盾量子技术股份有限公司量子计算云平台负责人储文皓说，即便是同一类技术路径，不同团队选择的实现方式也不尽相同。例如，同样是超导量子芯片，Google将量子比特排列成四边形，而IBM量子比特的布局则是呈蜂窝状的六边形。

关键难题亟待破解

“成也萧何，败也萧何。”金贤敏说，不同类型的量子比特催生了不同的量子芯片技术路径，但也给这些技术路径带来了与生俱来的固有问题。

储文皓说，可以使用量子比特数、保真度（计算的错误率）、系统相干时间（量子比特保持量子状态的时间，量子计算只能在量子状态下开展）等指标来评价一种量子芯片。

储文皓介绍，超导量子芯片使用“约瑟夫森结”为基础的超导电路充当量子比特，其最大优势是可利用现有成熟的集成电路工艺进行制造，可扩展性强，容易构建比特数更多的量子芯片。

“但超导量子比特易受环境影响，相互之间也容易产生干扰，导致计算错误率较高，所以超导量子芯片尤其需要解决纠错问题。”金贤敏说，此外，超导电路需要在接近绝对零度的极低温下运行，这必然会增加量子计算机的制造成本和使用时的限制条件。

“光量子芯片利用光子作为量子比特。”金贤敏解释，光子不受电磁噪声干扰，量子相干时间极长，适用于长时间量子计算。同时，光量子芯片可在常温下运行，无需超低温制冷设备，显著降低了运行成本和部署难度。更重要的是，光量子芯片对制造工艺要求较低，可利用现有半导体技术逐步进行迭代优化。

“但光量子芯片也面临光子间相互作用难以工程化、集成光子线路设计难度大等挑战。”金贤敏说，相比超导量子芯片，其初期技术门槛更高，发展路径较为陡峭。

“离子阱量子比特是把一个带电粒子放到电磁场中，利用激光来调控。”储文皓介绍，离子阱技术路径的最大优势是相干时间长，达到了小时级，计算保真度也非常高。但问题是扩展性相对较差，目前离子阱芯片实现的量子比特数较少，原因是离子间的相互排斥容易导致离子阵列的混乱。

中性原子量子计算使用激光冷却和囚禁中性原子，通过微波或光学跃迁操控原子作为量子比特。“中性原子最大的优势是扩展性超强，目前所有固态类型的量子处理器中，中性原子技术实现的量子比特数是最多的。”储文皓说，但中性原子的高效率读取非常困难，且现有的中性原子量子比特更像是一个实验室样品，距离工业化还很远。

“离子阱和中性原子技术路径有个相似的固有问题。”金贤敏说，这两种技术路径在构建量子比特时，都需要激光器等宏观光学元器件，技术较为复杂，加大了芯片集成的难度。

花落谁家尚未可知

2023年，美国工业咨询公司ADL发文称，其邀请数百名业内人士参与调查，结果分别有39%、35%和36%的量子专家认为基于电子（如超导）、基于原子（包括中性原子和离子阱）和基于光子的量子比特技术会最先取得成功。文章认为，这种均衡的分布表明，哪种量子比特能够打开量子计算的“大门”这一问题仍然悬而未决。

放眼全球，很多国家都采取了多路攻坚、多头下注的方式，同时发展多种量子芯片技术。以美国为例，2022年，超导量子计算企业Rigetti Computing获美国国防高级研究计划局（DARPA）资助。2023年初，DARPA宣布选定Atom Computing、微软和PsiQuantum公司分别研究中性原子、拓扑和光量子计算机的设计概念。2023年12月，DARPA资助的哈佛大学等机构研究人员在《自然》发表论文，称其开发出一种包括48个逻辑量子比特的中性原子量子芯片模型。

在金贤敏看来，尽管Willow在解决超导量子芯片纠错问题上取得了科学原理上的突破，但目前要研制出百万量子比特的通用量子计算机尚需时日，最先胜出的技术路径可能是超导或者光量子。

金贤敏认为，现有技术路径中只有这两种已经实现了量子霸权。值得注意的是，光量子芯片在玻色采样实验实现了量子霸权，相比超导量子芯片实现量子霸权的随机线路采样实验更具有潜在应用价值。采用光量子路径可能先于超导路径研制出某些领域的专用量子计算机。“美国PsiQuantum公司是目前全球融资最多的量子计算初创企业，它采取的正是光量子芯片技术路径。这可能代表了资本市场的某种选择。”金贤敏说。

储文皓则认为，光量子路径在专用量子计算机上确有优势，但Willow在纠错问题上的突破无疑给超导路径打了一剂“强心针”。超导路径能否实现商业化应用的量子计算机已不是一个科研问题，而是一个工程问题。如果更高性能的制冷机、集成度更高的超导芯片、使用人工智能高精度控制量子比特等技术能够得到解决，Google和IBM提出的在2030年左右研制出百万量子比特的商业化量子计算机的目标是很有可能实现的。光量子路径还需要解决一些科研问题，特别是光学元器件的集成化、微型化等问题。如果集成光子学能够取得突破，光量子路径可能与超导路径并驾齐驱。

“针对光量子的这些问题，我们正在提出一些解决方案，通过引入非线性光学材料、模块化设计等手段，逐步解决瓶颈，推动光量子芯片在扩展性和商用化方面取得突破。”金贤敏说。