建造實用量子計算機的競賽可能正在進入一個新階段。一些領先的技術現在面臨規模限制，而其他技術則迅速崛起。
多年來，兩種領先的方法使物理學家在一定程度上通過用越來越多的量子比特填充設備取得了進展，量子比特相當于計算機的內存比特。其中一種方法將量子位編碼為在超導回路上運行的電流。另一個使用被電磁場困在真空中的單個離子的激發態。
但在過去的兩年里，由單個中性原子——而不是離子——組成并用激光制成的“鑷子”固定的量子位突然變得具有競爭力。其他處于更早期發展階段的技術可能會迎頭趕上。
荷蘭代爾夫特理工大學量子研究所 QuTech 的理論物理學家芭芭拉·特哈爾 (Barbara Terhal) 說：“超導量子位和俘獲離子量子位進行了最先進的實驗，控制了最多的量子位。” “然而，這并不能保證這些平臺將保持領先地位。”
對量子位的探索
量子計算機有望通過利用量子疊加等現象來解決經典機器無法解決的問題，在量子疊加中，一個物體可以同時存在于兩種狀態——例如，順時針和逆時針旋轉。物理學家稱這種狀態為量子位，以區別于只能為“0”或“1”的普通位。
眾所周知，量子態是脆弱的。在量子計算機中，它們攜帶的信息——可以延伸到多個量子位以形成“糾纏”狀態——往往會隨著計算的進行而退化或丟失。為了盡可能長時間地保持狀態，量子位必須與環境隔離。但它們不能彼此過于孤立，因為它們必須交互才能執行計算。
除其他因素外，這使得構建有用的量子計算機具有挑戰性。但該領域的發展比 QuTech 研究主管 Lieven Vandersypen 十年前所預料的要遠。“進展實際上令人印象深刻。”
谷歌在 2019 年成為頭條新聞，當時它聲稱一臺由 54 個超導量子位組成的機器進行了第一次量子計算，這在經典計算機上可能需要花費不可思議的時間，這一成就被研究人員稱為量子優勢。在超導量子比特領域投入巨資的科技公司 IBM 預計將在未來幾個月內達到一個里程碑，屆時它將推出名為 Condor 的量子芯片，這是第一個突破 1,000 量子比特大關的芯片。
去年 11 月，該公司宣布推出其之前的芯片 433 量子比特 Osprey——這是 127 量子比特 Eagle 的后續產品，后者在 2021 年創下了記錄。“我們真的很想制定一個路線圖，就像你對半導體行業的期望一樣，”紐約約克鎮高地 IBM Thomas J. Watson 研究中心量子計算機項目負責人 Jerry Chow 說。
質量和數量
Chow 表示，IBM 的目標不僅是增加量子比特的數量，而且還提高它們的質量。他說，該公司的一些超導元件可以保持其量子態超過 300 微秒——這是該技術的一項記錄。在另一個關鍵指標中，涉及兩個量子位的操作現在有 99.9% 沒有錯誤。
一旦芯片上的超導量子位的數量遠遠超過 1,000，擴大規模就變得不切實際，因為每個量子位都需要單獨連接到外部電路以進行控制和讀出。因此，IBM 將采用模塊化方法。從 2024 年開始，其路線圖上的每一步都不會增加芯片上的量子位數量，而是將多個芯片連接到一臺機器上——如果連接必須攜帶量子態不受傷害或幫助，這并不簡單將量子比特糾纏在不同的芯片上。這些芯片是包裹在低溫系統中的大型裝置的核心，使芯片保持接近 0 開爾文。
俘獲離子計算機可能比超導計算機具有更嚴格的尺寸限制，部分原因是它們需要單獨的激光設備來控制每個離子。通常，這意味著將陷阱限制在每個芯片大約 32 個離子的行中。但 IonQ 是一家從馬里蘭大學帕克分校分拆出來的初創公司，該公司表示，其方法使其能夠將多行離子封裝到一個芯片中，可能達到 1,024 個量子位。除此之外，IonQ 還計劃轉向模塊化方法，連接多個芯片。據該公司發言人稱，在實驗室實驗中，被困離子的保真度高達 99.99%。
鑷子技術
另一種技術——直到幾年前還幾乎無人問津——也可能很快就會突破 1,000 量子位的障礙。它使用緊密聚焦的激光束捕獲中性原子，稱為光鑷，并在原子的電子態或原子核的自旋中編碼量子位(參見“激光鑷子”)。十多年來，這種方法一直在逐漸發展，但現在它正在“蓬勃發展”，馬薩諸塞州劍橋市哈佛大學的物理學家 Giulia Semeghini 說。
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