我們已經取得了量子計算的霸主地位嗎？谷歌是這樣認為的。10月23日，總部位于美國加州山景城的美國跨國科技公司谷歌的首席執行官Sundar Pinchai發表了一篇博文，宣揚該公司研究人員在構建量子計算機方面取得的勝利，“只需200秒即可完成一個測試計算，而這本來是最強大的超級計算機中最著名的算法需要數千年才能完成的。”
在谷歌AI博客上的另一篇文章中，量子硬件首席科學家John Martinis和谷歌AI量子公司量子計算理論首席科學家Sergio Boixo表示，他們的目標是盡快構建一個容錯量子計算機。他們設想這樣一種量子設備能夠推動材料設計的進步，從而產生用于汽車和飛機的新型輕量化電池、更有效的藥物以及更好的催化劑，以更有效地生產肥料，減少碳排放。
谷歌計算業績的細節立即引起了量子計算領域其他重量級公司的反對，比如總部位于紐約州阿蒙克市的國際科技公司IBM，他們認為在經典系統中，同樣的計算任務的理想模擬可以在短短幾天內完成，而且保真度更高。IBM還批評了谷歌使用“霸主地位”這個詞，并重申了自己關于量子計算機和經典計算機以互補方式協同工作的愿景。
無論如何，量子信息科學（QIS）再次成為人們關注的焦點。正如位于伊利諾斯州的芝加哥大學物理學家和量子工程師David Awschalom所說，“量子信息科學在最小尺度上利用自然的特性來創造一項有意義的技術。”美國政府已經通過《國家量子倡議法案》(National Quantum Initiative Act)承認了量子信息科學的價值，該法案旨在為經濟和國家安全目的加速量子的研究和開發。
對于許多普通觀察者來說，量子似乎很深奧，但白宮科學技術政策辦公室量子信息科學副主任Jacob Taylor指出，基于量子的技術已經使用了幾十年。“支撐全球定位系統(GPS)的原子鐘是基于量子理論的，”Taylor說。“在醫學上，我們使用量子技術為磁共振成像（MRI）機器提供動力，探測人體內部核自旋的聚合特性，以找到例如血液在何處釋放氧氣。”
學術界和工業界的研究人員正在努力開發基于量子信息科學的更先進的技術。這些努力可以分為三個主要領域：計算、通信和傳感。
其中，Awschalom認為，量子信息科學的一些直接應用將出現在傳感和通信領域。“量子態的脆弱性使它們成為強大傳感技術的基礎，”Awschalom表示。“在十年內，量子傳感技術的進步可能會讓我們將核磁共振成像分辨率降低到單分子水平，并將傳感器放置在活細胞內，以觀察細胞機制的運作。”
脆弱的力量
在嘗試建造量子計算機時，相同量子態的脆弱性會給良好的傳感器帶來挑戰。
“量子計算機的獨特功能源于量子比特或量子位（是量子信息的基本單位）中的兩個特殊特性，”位于北卡羅來納州達勒姆市的杜克大學電氣和計算機工程師、馬里蘭州帕克分校量子計算初創公司IonQ的聯合創始人Jungsang Kim說道。“其中一個特征是疊加原理，量子比特可以同時存在于0和1兩種狀態，它們之間的重量和相對相位是可控的，直到量子位被測量。另一個特征是糾纏，即幾個量子位之間存在相關性，即使每個量子位的狀態不能完全被確定為0或1。”
馬里蘭大學物理學家、IonQ聯合創始人兼首席科學家Chris Monroe解釋說，為了保護存儲在量子粒子中的疊加態，量子技術通常涉及獨特的材料和條件。
“量子基本規則之一是疊加只有在你不看它的時候才存在，”Monroe強調道。“這意味著量子在簡單系統中效果最好，例如懸浮在真空室內的非固體或表面的孤立原子，或者被冷凍到接近絕對零度的獨特固態設備。”
Monroe說，如果滿足這些條件，這樣的設備就能形成量子計算機，有可能解決常規經典計算機永遠無法解決的問題。
他給出了復雜分子化學建模的例子。“考慮像咖啡因這樣的分子，它有超過100個電子，”Monroe建議道。“這些電子是如何知道要去哪里以及它們的能級應該是多少？目前，我們無法計算這些電子的結合能，這意味著很難知道一個特定的分子將如何與其它分子相互作用。量子計算可能在優化這些模擬方面有巨大的應用。”
轉向固態
量子計算機有可能成為家用甚至企業機器嗎？Awschalom認為，量子計算機的大規模生產取決于找到讓量子比特在不太特殊的環境下工作的方法。“在真空中或超導體中使用原子制造量子比特是令人印象深刻的，但我們現在專注于使用固態材料制造量子比特，”他說。“電子制造業的現有基礎設施價值上萬億美元。如果我們能用半導體開發出可伸縮的量子比特，那么業界就可以生產數十億個。”
Awschalom的團隊發現，他們可以利用商用碳化硅二極管，制造缺陷來捕獲電子，并基于具有長相干時間和可調諧量子能量的電子自旋，建立他所說的“驚人的”量子態。他說:“我們現在正處于概念驗證階段，但這些初步結果表明，我們有一個可伸縮性的途徑。”
就在這一點
如果說有哪家公司了解大規模電子制造，那非英特爾莫屬。英特爾是一家總部位于加州圣克拉拉的跨國科技公司。該公司擁有超過10萬名員工，每秒生產100億個晶體管（或每年生產超過30億億個晶體管)。
英特爾量子應用與架構總監Anne Matsuura說，她的公司正在利用其在硅制造和封裝的特殊能力來開發硅量子點量子比特，她將其比作單電子晶體管。
英特爾已投資5000萬美元，與代爾夫特理工大學和荷蘭應用研究組織TNO進行為期10年的合作，以推進量子計算。合作的一個方面涉及“熱量子比特”實驗——研究硅點量子比特是否能在高溫下工作。“到目前為止，我們的合作伙伴在1開爾文下取得了有希望的實驗結果，”Matsuura說。“顯然，這仍然相當冷，但它比今天所需的低溫溫度高幾個數量級。我們希望能夠繼續提高量子比特運行的溫度范圍。”
英特爾正在采取其他措施，為半導體自旋量子比特創建一個300毫米、大容量制造和測試線。英特爾與Bluefors和Afore合作，開發了一種低溫晶圓探測器（或稱低溫探測器），可以在幾開爾文的溫度下測試量子比特。英特爾預計，低溫探測器將使其自動化并加速對量子噪聲源和量子點質量的測試，從幾周到幾分鐘。
使用大自然的量子比特
雖然英特爾正在尋找加速量子比特錯誤測試的方法，但IonQ旨在通過完全不制造量子比特來回避其制造過程中的挑戰。
“我們使用電離原子——大自然的量子比特，”IonQ總裁兼首席執行官Peter Chapman說。“我們不制造原子，所以每個量子比特都是完美的，沒有任何差異。漂浮在真空中，它們的基本退化時間尺度為1萬年，退相干時間可以延長至數年。”
IonQ利用電磁場在超高真空室內的硅片上部署并捕獲原子量子比特，從而創造出該公司所稱的世界上第一臺商用捕獲離子量子計算機。
“我們的技術基于與原子鐘相同的原理，”Chapman說道。“如果你回顧一下20世紀50年代的原子鐘，它會占據整個房間，但現在它可以安裝在單個芯片上。我們的方法可以在室溫下工作，并且大部分情況下可以使用現成的組件�？梢院侠淼仡A期，我們的技術將遵循與原子鐘和其他電子產品一樣的路徑，并隨著時間的推移而收縮。如果人們在10年內訂購量子筆記本電腦，我并不會感到驚訝。”
這些量子筆記本電腦能做什么呢？Chapman認為，只有量子計算機才能處理強大的人工智能所必需的自然語言處理的爆炸性組合需求。
“如果你看一個句子中單個單詞的意思，它是與句子中所有其他單詞的上下文、段落、文檔和你以前的經歷聯系在一起的，”Chapman表示。“語言包含了量子計算機真正擅長的多種可能含義的組合爆炸�，F實世界自然是量子的。如果我們的智慧也來自同一個地方，這真的會令人驚訝嗎？”
IBM提高了體積
當許多量子計算研究人員專注于增加量子比特的數量時，IBM采取了一種不同的方法。2017年，IBM宣布了一項名為量子體積的指標，該指標不僅基于量子比特數來決定量子計算機的性能，還基于對各種因素進行整體評估，如量子比特相干時間(它們保持疊加態的時間量)或可能影響量子處理器操作精度和準確性的測量誤差。
“如果量子計算機系統存在弱點，那么單個量子比特有多好都無關緊要，”位于紐約約克城高地的IBM研究院IBM Q生態系統開發副總裁Bob Sutor坦言。“軟件也很重要。我們必須能夠接受用戶程序并對其進行轉換，以便使其以優化的方式在真正的量子硬件上運行。”
IBM已經通過一個開放項目和商業IBM Q網絡將其量子計算機上線，為愛好者、學者和行業研究人員提供一個學習和試驗實際量子機器的機會。自2016年推出IBM Q以來，已有約17.5萬人注冊使用該系統。IBM量子科學家利用Q網絡與巴克萊、摩根大通和三菱化學等行業合作伙伴合作，試圖提高資本市場證券結算效率，實現期權定價的二次加速，并模擬鋰—空氣電池中鋰與氧反應機理的初始步驟。
代碼生成器和電碼譯員
使用量子計算機設計更好的電池似乎是一個崇高的目標，但如果不法分子試圖利用強大的量子計算機的處理能力來破解加密算法呢？
幸運的是，美國國家標準與技術研究所(NIST)正在研究這個問題。“要讓量子計算機通過分解大量數據來威脅（經典）密碼方法，還需要很長一段時間，但NIST已經在努力認證后量子密碼系統，”Taylor說。“我們有望在2022年之前獲得該認證，這意味著首席技術官應該計劃在未來10年內向后量子密碼保護過渡。”
與此同時，量子信息科學的進步可能會導致真正不可能被黑客入侵的加密方法的發展——至少在不提醒接收方消息被攔截的情況下。
“在量子世界里，觀察事物的行為會改變它。從安全角度來看，這是一個優勢，”Awschalom解釋道。“我們可以利用糾纏光子通過光纖網絡發送信息。如果有人試圖攔截消息并查看內容，他們將無法將其‘放回’相同的狀態。信息將被加密發送，接收方會知道有人試圖竊聽傳輸中的通信。”
時間會證明一切
國家標準與技術研究所和科羅拉多大學博爾德分校的物理學家葉俊(音譯)正在利用量子力學推進時間測量。他利用激光束和蒸發技術，將原子一個接一個地裝入由光構成的晶格中。這些新的原子鐘比傳統原子鐘精確約100倍�；谶@種新的時鐘，葉俊(音譯)和同事在10月份發表了一篇論文，表明他們在光學領域開發了一種新的時間尺度，其性能比當前用于定義世界時間的時間尺度好10倍。
葉俊(音譯)指出，這種改進可能對通信和導航有直接的好處，因為衛星使用激光束而不是微波向彼此和地球發送信息。“你可以向星際飛船發送精確的指令和導航坐標，這樣你就可以同步它在火星上的自動著陸，”他說。“每次我們增加時鐘技術時，通常會引起社會其他地方多層技術的進步。事實上，推動時鐘和量子計算機發展的技術來自于今天正在發生的同樣的量子革命。” ■
Aaron Dalton是居住在田納西州納什維爾附近的自由撰稿人和編輯。
鳴謝：“原文由美國科學促進會（www.aaas.org）發布在2019年11月15日《科學》雜志”。官方英文版請見https://www.science.org/content/article/quantum-technology-comes-age。