致命缺陷！谷歌实现量子霸权的超导量子比特，或将败于光子量子比特

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作者：CHRIS LEE  编译：肖琴

上个月，谷歌宣称已经实现了量子霸权(quantum supremacy)——这个夸张的名字被用来证明量子计算机可以完成传统计算机无法完成的任务。这一说法仍有争议，因此我们可能需要更充分的论证。

与上述声明无关，值得注意的是，谷歌以及其批评者IBM都选择了相同类型的硬件作为量子计算工作的基础。还有一家规模较小的竞争对手Rigetti也是如此。所有这些都表明，量子计算的前景在过去十年中已经趋于稳定。现在，我们可以选出一些可能的赢家和一些确定的输家了。

为什么赢家会赢，输家会输？

但为什么赢家会赢，输家会输呢?

最后，这个故事都可以归结到工程学上。一台实用的量子计算机要求我们能创造许多量子比特(qubits)。这些量子比特必须保持在一个量子态以进行多个门操作。门操作(gate operation)要求我们能够在单个的基础上和在成组(或至少成对)中操纵量子比特。当然，你必须要能够读出计算结果。

在液体、里德伯原子、玻色-爱因斯坦凝聚态(BECs)、固态系统、钻石中的氮空位、硅中缺陷、俘获离子、光，当然，还有超导环中，许多这些单独的特性已经被证明可以利用量子比特来工作。这个列表是不完整的，但是，这些选项中的大多数是一潭死水，有很充分的理由可以这样说。虽然量子比特的行为是由单个量子比特级的物理决定的，但一旦考虑到可扩展性，工程就真的很重要，而且这些选项中很多都不太适合可扩展性。

随机性是不好的

2010年左右，氮-空位中心、硅空位(耗时更长)和固态材料处于领先地位。这些材料的工作原理都很相似：在晶体中加入少量污染物。氮被加入到金刚石中，磷被加入到硅中，镱被加入到钇铝石榴石晶体中。

每种材料中的量子比特都是由类似的物理原理构成的。污染物质不能满足邻近原子的键合要求，会留下一个孤立的电子或带正电荷的原子核(离子)。这些孤立对象的状态可以用作一个量子比特，并且它的状态可以持续很长时间。

但是这些技术也有根本性的缺陷。金刚石氮-空位中心就是一个很好的例子。每个量子比特由一个电子组成，这个电子由于氮无法与第四个碳原子结合而挂在那里。这个电子是用光学寻址(设置和读取)的。因此，第一个问题是在晶体中搜索少数可以单独处理的孤立空位。光学寻址量子比特意味着空位离得太远就不能直接耦合，因此量子比特的操作和纠缠必须通过光和微波光子来完成。不幸的是，微波发射会耦合所有的量子比特，降低了量子比特扫描的控制精度。

更糟糕的是，每个空位都是不同的。空位的量子性质取决于围绕它的原子的精确排列和类型。例如，在金刚石中，碳的两种常见同位素提供了足够的差异，使得碳13的存在会改变附近量子比特的性能。为了使量子比特相同，需要施加局部磁场，这会改变量子比特的能级。这需要在附近的导线中通过相对较强的电流来实现，但同时要隔离影响，以免影响其他量子比特。

从本质上讲，每一颗金刚石都会产生一台不同的计算机，具有不同的量子比特排列方式和不同的性质。确保局部磁场对目标量子位元是真正局部的，这样的布线似乎非常困难。然后，你必须设计微小的透镜阵列(直接研磨到钻石表面上)，将所有的量子比特与外部世界耦合。

这些问题几乎适用于所有基于空位的量子比特系统，这就是为什么我们对它们的了解越来越少。

固体太过复杂

离子在晶体中的情况，例如钇铝石榴石中的镱，有点不同。在这里，量子态通常不存储在单个镱离子中。相反，这种状态散布在离子群中，这使得它难以置信的强大——是寿命最长的量子态之一。但是，这也使得定义量子比特的位置变得有点困难。事实上，该位置是由光学定义的，聚焦于用于设置和读取量子态的光。

从本质上讲，量子比特状态是由与晶体内的许多离子相互作用的光脉冲设置的。要产生更多的量子比特需要相当复杂的光学装置。这种复杂程度甚至没有考虑到纠缠量子比特和产生门运算的要求。再次，这个工程对全量子计算机不利。另一方面，这些晶体可以制造出非常棒的量子存储器，并且很有可能在有限的领域中得到应用。

离实际越远，外部的机会就越多；例子包括里德伯原子和玻色-爱因斯坦凝聚态(BECs)。

里德伯原子(Rydberg atoms)是通过激发原子中最外层的电子到高能状态而产生的。在这种状态下，电子的轨道更像是一颗围绕恒星的行星。可以通过管理不同里德伯状态之间的转换来创建量子比特。可以通过光脉冲和光发射来设置和读取状态。冷里德伯原子可以被光学器件捕获，将它们固定在一个位置，使它们能够通过光学系统进行寻址。

不幸的是，它们的性质使它们不能直接相互作用，所以量子运算必须通过光子的交换来完成。这就像晶体中的离子一样，使得光学系统和计算过程比成功的系统要困难得多。但制造这些量子比特也有困难。以相同的起始状态获得大量的里德伯原子绝非易事。

非常明确的获胜品质

现在将其与离子阱量子计算机和超导量子比特计算机进行比较。在离子阱的情况下，量子态被存储在单个离子阱中，并从其中读取信息。量子比特可以通过它们在阱中的运动直接相互作用，也可以通过光和微波的发射和吸收相互作用。该光学寻址系统仍然很复杂，但是通过使用微波和阱运动来处理一些操作，它已经大大简化了。这足以在工程上可行。

制造超导量子比特。它们可能是所有量子比特竞争者中量子特性最差的。然而，它们的制造也给了我们很大的控制权。门操作、设置和读取量子比特状态以及存储操作都可以设计成尽可能长时间地保持计算机的功能。正是这种控制感让工程师们有信心开始扩大量子比特的数量。

光子量子比特是这三种似乎成功的量子比特中最古怪的一种。光子量子比特不会静止不动，所以门操作要求出色的实际，两个或两个以上的量子比特必须在空间和时间上重叠。这一要求使得光子电路的设计具有挑战性。但是，给定一个所需的计算机程序，就可以设计一个光子电路。

问题是使光子电路可编程。这很困难，但不是那种让工程师尖叫着跑开的挑战。因此，从这个意义上讲，光子量子比特仍然有很好的机会留在其中。

成本为王

我们最终会采用一种技术来统治它们吗？我认为在很大程度上是的，一种技术将会占据主导地位。而且，我认为光子量子计算机将会胜出，即使超导量子比特目前占据统治地位。从本质上说，这归结于成本：超导量子比特板的生产成本比离子阱计算机或光子电路低得多。但光子电路就像集成电路，其成本随着规模的扩大而降低。所以从数量上看，价格差异很小。

然后是运营成本。离子阱计算机需要真空系统和昂贵的泵系统，而超导量子比特需要在液氦温度下工作。不仅氦昂贵，稀释冰箱也不便宜。光子电路没有这些成本。

是的，光子电路在设计上面临着挑战，但一旦克服了这些挑战，光子电路的成本将大大降低。冒着听起来像未来主义者的风险，我认为前两到三代将是超导量子比特和离子计算机的混合体，然后光子量子计算机将大干一场。到了第四代，就没什么人知道什么是超导量子比特了。

所以，现在你知道了：我很感谢光刻机，它让我们有机会打造一台很棒的基于光学的量子计算机。