工作原理：创建量子计算机

硅半导体在计算领域已经带领我们取得了令人瞩目的进展。但即使它们继续不遗余力地变得更快、更强大（而实现这一目标变得越来越困难），传统计算的能力仍然有限。

计算领域的下一个真正变革是量子——利用材料的量子力学特性来处理信息，使当今最大、最强大的超级计算机看起来像袖珍计算器。IBM 等公司的科学家首次不再只是理论研究，而是真正设想出一台完成的量子计算机将如何工作。在全球各地的实验室中，第一台量子计算机的第一批构件正在慢慢变成现实。

考虑到一台可以运行的量子计算机才是真正改变我们脚下现状的事物，这真是太了不起了。有了一台相对普通的量子计算机，科学家就可以破解复杂的加密方案，以前所未有的精度模拟量子系统，并以无与伦比的效率过滤复杂的非结构化数据库。

但首先他们必须建造一个。

量子计算的概念是由物理学家理查德·费曼在 20 世纪 80 年代初提出的，目前该领域仍处于起步阶段。但作为一门学科，随着理论与实践的融合，它正在迎来关键转折。构建量子计算机的方法不止一种，现在还无法知道这些方法中的哪一种（如果有的话）能够产生一个有效的系统。但在所有这些利用量子世界的方法之间，有一个共同点：一切都与量子比特有关。

和传统计算机一样，量子计算机也依赖信息单位。在传统世界中，信息单位是比特（一个字节通常由 8 位组成），每个比特可以存在于两种状态之一：0 或 1。您的所有数据（您的 MP3、文本、文档、Tumblr）都不过是比特行而已。

位的量子模拟称为量子比特。与位不同，量子比特可以以 0、1 或叠加状态存在，在量子术语中，叠加状态基本上意味着它同时是 0 和 1。这就是我们进入量子属性的奇怪领域的地方，其中的事物完全不是直观的。“你从量子态中所有可能的答案开始，然后设计算法来剔除错误答案，这样正确的答案就会出现，”IBM 研究实验室实验量子计算研究团队经理 Matthias Steffen 说。你不必一次只考虑一个问题的解决方案，而是可以同时考虑多个可能的解决方案。

我们与这项令人麻木的计算成果之间还存在着巨大的挑战。在量子尺度上工作通常意味着在极低的温度下工作，通常接近绝对零度。粒子本身是变化无常的。相干时间——精心培育的量子系统在量子态崩溃前可供计算机读取的时间——仅以微秒为单位。而且由于量子计算通常存在固有的误差幅度，量子计算机必须不断纠正自身错误。

然后还有测量量子态的问题，这往往会导致量子态崩溃。这需要掌握量子关联或纠缠——一种奇怪的量子现象，即使相隔很远，两个粒子的状态也会联系在一起，以至于影响一个粒子也会影响另一个粒子——这样研究人员才能在不破坏量子系统的情况下测量它们。不用说，这一切都绝非易事。

这就是为什么研究人员从小处着手，投入大量脑力和研究资金来开发单个稳定的量子比特，最终开发出数十个、数百个、数千个和数万个量子比特的量子比特串。那么未来的量子计算机会是什么样子呢？我们还不确定，但有几种不同的方法显示出很大的希望。

人造原子

制造量子比特的方法不止一种。你真正需要的是能够提供两个不同且定义的量子能级的东西，作为经典方案中 0 和 1 的类比。许多潜在的量子比特都是自然现象，操纵原子核、离子或电子的量子特性将信息编码到量子系统中。但是，如果你可以人工制造出你想要的任何属性的量子比特，那会怎样呢？

这种方法催生了量子计算研究的一个分支，该分支试图完善超导量子比特。也许并不令人意外的是，IBM Research 已成为该领域的领导者之一，因为这种方法与该公司在超导、微加工以及（也许最重要的是）将技术扩展到成品方面的专业知识完美契合。

抛开许多复杂的物理原理，我们很容易将超导量子比特视为人造原子。从技术角度来说，超导量子比特涉及两种超导材料，它们在一个称为约瑟夫森结的装置上运行振荡电流，通过量子物理的魔力，量子比特可以从电流可能具有的众多振荡频率中抽取两个，并使用这些频率作为经典的 0 和 1（这其中涉及许多量子力学，我们不会在这里讨论，但可以说，控制这些振荡满足了量子比特的基本要求）。

超导量子比特的主要优势在于它们可以制造，因此可以定制，并最终扩展到拥有数百或数千个量子比特的大型量子计算机。但即使是 IBM 的团队（最近展示了创纪录的高达 10-100 微秒的相干时间和 95% 成功率的门操作）也知道，现在宣布他们的方法获胜还为时过早。

“超导方法潜力巨大，我们认为它是领跑者，这就是我们致力于此的原因，”负责 IBM 研究信息物理计划的物理学家 Mark Ketchen 表示。“但现在还处于早期阶段，情况可能会发生变化。五年后，系统可能会大不相同。”

利用电子自旋

这是因为超导量子比特远非唯一的选择。哈佛大学的阿米尔·雅科比博士正在探索通过量子点（具有独特电子特性的微型半导体晶体）内电子自旋编码信息的可能性。广义上讲，电子有两种可能的自旋状态（称为左自旋和右自旋），可以表示经典比特的 0 或 1 状态。被困在量子点中的电子自旋可以被测量和操纵。但这带来了一个在量子计算中很常见的问题。

这与薛定谔猫引发的问题相同，这是处理量子系统时常见的悖论问题（要更深入地了解这一切，请阅读臭名昭著的猫和量子纠缠）。为了创建一个可用的量子比特，研究人员需要某种善于将自身与环境分离的东西，某种不会受到外部因素影响的东西。同时，还需要有某种可以通过外力操纵的东西，以便控制计算。

找到一种既能满足可行的量子计算系统这些矛盾需求的方法并不容易，但电子自旋对于满足悖论的两面性大有裨益。从原子角度来说，自旋寿命很长，因此你可以在自旋中编码信息，而这些信息将在系统中存在相对较长的时间，从而有助于提高一致性。量子点中捕获的电子可以被诱导与周围环境分离，同时仍能对弱磁场作出反应——这些磁场足够弱且可预测，即使它们将产生误差的噪声引入量子系统，也相对容易纠正错误。

尽管如此，自旋仍无法避免困扰量子计算界许多人的问题，他们试图用非常小的粒子做非常大的事情。与超导量子比特一样，量子点计算必须在非常低的温度下进行——大约比绝对零度高十分之一度。抛开所有量子复杂性不谈，制造这样一个包含多个量子比特的系统所固有的工程挑战是艰巨的。但雅科比并不担心。

“我认为，在面临冷却一千或一万个量子比特的工程挑战之前，我们还会有很多发现，”雅科比说。“我很乐观，非常有信心，在我有生之年就能达到这个水平。”

捕获离子

但你不必深入到亚原子层才能找到适合量子比特的候选者。离子——电子和质子不平衡的原子，它们带有净电荷——可以成为极好的量子比特，其中原子核的自旋代表 0/1 经典状态。离子被电场捕获，并在真空室内进行激光冷却，与可能干扰其脆弱量子态的外部因素完全隔离，使它们具有非常长的相干时间。它们带电的事实也使它们比中性原子更容易通过电场进行操控。

但是，虽然在真空室中捕获一个离子（甚至几个离子）相对来说很容易，但依赖于高度调谐的电场和冷却激光器的系统需要以非常精确的时间开启和关闭，随着每个离子的增加，该系统会变得更加复杂。当你开始考虑数十或数百个量子比特时，扩展这种系统的想法就成为主要挑战。

“你不能像晶体管一样在芯片上构建一百个、一千个或一百万个离子，”华盛顿大学捕获离子量子计算小组的物理学副教授兼首席研究员 Boris Blinov 说。“这就是我们今天扩展普通计算机的方式。对于离子，你必须想办法将它们排列在一个位置，使它们能够以量子计算所需的方式相互作用。这样一来，离子就处于劣势。”

Blinov 和他的团队正在努力通过模块化方法规避这一问题，这种方法采用了许多微加工的离子阱。每个类似芯片的离子阱可以容纳几个离子（但不会太多），芯片之间的相互作用将通过光纤电缆网络在系统周围发射光子来实现。通过将这些单个光子与捕获的离子纠缠在一起并将它们在系统周围发射，系统中不同芯片上的离子可以在量子水平上相互作用。

听起来很费解？确实如此。但 Blinov 和他的团队正在缓慢但稳步地研究钡离子。如果他们或其他研究小组能够解决可扩展性问题（目前，这个领域有很多“如果”），那么离子可能会成为未来量子计算机中可行的量子比特。

未来的超级计算机

当然，对于上述任何一种潜在量子比特，以及全球物理学界正在缓慢推进的许多其他量子计算方法，情况都是如此。最终制造出一台可运行的量子计算机的方法——也许在未来十年的某个时候，也许更久——可能是上述方法之一，也可能是另一种刚刚开始研究的方法，或者是还没有被设想出来的方法。

“记住这仍然是一项科学事业，这一点非常重要，”哈佛大学的雅科比说。“我们的轨迹不断被我们发现的事物打断。有时我们想的是一件事，结果却是另一回事。这可能是一个障碍，但其中一些发现最终会成为巨大的飞跃。我们在前进的过程中发现了我们不知道的东西，我们的轨迹得到了纠正。”

尽管前路被神秘的量子迷雾笼罩，但对于最终的量子计算机是什么样子，人们还是达成了一些共识。首先，它将有一个经典组件，用于实际运行量子计算机中的量子算法。它将很大，由经典超级计算机和量子计算机组成，根据量子比特的不同，量子计算机可能是一系列真空室和光学平台，或者是一排又一排的超冷室，用于将粒子冷却到接近绝对零度（或完全不同）。

无论这种构造是什么，它本身就是一种挑战。温度越低，传统电子器件的性能就越差，因此，将需要低开氏温度的传统计算机和量子计算机连接起来，需要的工程技术是现有技术无法充分解决的。但总的来说，那些在量子计算界工作的人相信，在他们构建完美量子比特的过程中，实际工程问题也会迎刃而解。研究人员相信，当他们这样做时，我们将解锁一种计算能力，它将极大地影响整个人类知识领域——甚至以我们尚未想到的方式。

IBM 的 Steffen 表示：“预测计算的发展方向并不是那么简单。如果你问发明晶体管的人，他们肯定无法想象晶体管将来会走向何方。量子计算也是如此。”