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量子比特设备逐渐走向现实
图片来源:Andrey Suslov
向功能性量子计算设备迈进的道路漫长而曲折。尽管自20世纪70年代末物理学家保罗·贝尼奥夫(Paul Benioff)、理查德·费曼(Richard Feynman)等人开始探索量子信息论以来，量子信息论的概念就已经出现，但直到最近，真正的设备才开始成形。包括IBM在内的几家公司已经开发了量子计算系统的原型，而许多研究机构的实验设备还处于开发的早期阶段。
然而，与经过70多年演变并现已成熟的经典计算不同，利用量子物理利用量子态的不确定性与经典态的确定性进行对比的量子计算，在很大程度上仍是未知领域。目前，大量的研究都集中在如何创建或利用量子比特(“量子位”)来构建量子力学系统，从而利用自然界中的物理事件来解决经典系统无法实际掌握的复杂计算问题。目前，量子比特的研究仍处于相对新兴的状态，因此，尚不清楚哪种方法最终会占上风。
位于英国牛津郡的国家量子计算中心主任Michael Cuthbert说:“开发不同的量子系统有巨大的推动作用，这些系统可能被证明足够稳定，并具有实用性。
目前，量子比特的研究主要集中在几个关键技术上:超导电路、捕获离子、光子学、超冷原子、硅的自旋、钻石的彩色自旋，以及一个被称为拓扑绝缘体的新兴领域。
关键的问题和挑战仍然存在，包括如何扩展设备，同时减少噪声和错误，使量子位设备变得有用。美国能源部(DOE)橡树岭国家实验室量子科学中心副主任特拉维斯·汉博(Travis Humble)说:“我们正在到达一个临界点，量子计算技术正在迅速发展。在未来几年里，我们可能会看到真正的设备出现，解决药物开发、金融建模、网络安全和物理学等方面的现实挑战。”
量子挑战
量子计算设备正在以多种形状和形式出现——它们使用截然不同的方法来处理计算。它们的共同点是，所有这些系统都使用量子电路来处理计算。与经典计算模型中的位一样，量子位的工作状态为1或0。与传统计算不同的是，记录信息具有挑战性;此外，量子领域的物理学解锁了同时出现1和0的可能性。因此，有必要测量变化前后的量子位，以了解其在任何精确时刻的状态。
量子位通常在非常短的时间内保持有用的信息，在某些情况下不超过一毫秒，因为它们容易产生高水平的噪声和错误。相比之下，硅可以每秒进行10亿次经典运算，持续10亿年才会出现统计误差。Cuthbert说:“通过纠错来减轻这种不稳定性是可能的，但是纠错会带来巨大的开销。有必要达到大约1000个物理量子位，以达到纠错有效工作的点，创建单个逻辑量子位或‘永久’量子位。”
到目前为止，研究人员和工程师已经能够建造超过60个量子位的量子位设备。专家说，现在需要的是至少能达到1,000个量子比特的设备，或者一台完全容错、纠错的机器，需要100万个量子比特。虽然更好的算法可以通过更有效的计算来解决部分噪声和错误问题，但它们不能解决全部问题。
因此，他们的目标是建立量子比特设备，突破今天的障碍，作为量子计算机的组件。数字设备用一串1和0编码电信号，而量子系统需要一个高度稳定的两级系统，可以建立1或0的叠加，以及不同量子位之间的状态纠缠。
尽管取得了所有这些进展，通向量子计算机的道路仍然充满障碍。
这个两级系统必须使量子位足够接近，以便使器件产生可用的输出。此外，量子计算设备需要能够检测和编码量子态的电路，并生成用于理解事件的数据。外卖吗?“量子技术有许多不同的潜在发展方向，”美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室的工作科学家阿伦·佩尔绍德说。
量子位器件出现
2019年，谷歌的科学家宣布，他们已经通过了量子计算的一个关键门槛:他们成功地建造了一个53量子位设备，可以在约200秒内解决橡树岭国家实验室Summit超级计算机需要1万年以上才能完成的问题。尽管计算界的一些人对这一结果存在争议，而且人们普遍认为该实验没有解决任何有意义的计算问题，但许多人认为它证明了量子设备提供了谷歌研究人员当时所称的“量子霸权”。
谷歌的方法依赖于传输线分流等离子振荡量子位，通常被称为transmons，来计算这个问题。Transmons是一种超导电荷量子位，它对电荷噪声的敏感度较低。同样的技术，需要将超导金属冷却到接近绝对零度，已经被其他商业供应商用于生产量子计算机。transmon控制超导装置内部不同能级之间的比率，要想扩大这些装置的系统需要复杂的工程技术。Humble说:“虽然今天的设备在容量和执行指令数量方面都是相对原始的，但在过去的五年中，这项技术已经取得了显著的进步。”
另一种类型的量子比特设备涉及单个离子被困在稳定的配置中。这些带电粒子可能由钙、磷或其他元素原子组成，它们作为稀释气体注入真空系统。一种电子或光学系统，如激光，用于诱导原子量子态之间的耦合。这项技术已经吸引了包括谷歌和霍尼韦尔在内的几个组织的注意，尽管这些设备仍然停留在数十个量子位，而不是商业应用预期的数百或数千个量子位。
第三个主要研究领域涉及光子系统。这些设备不是用电子来存储和携带信息，而是用被称为光子的光量子态来记录信息。这种方法的优点是研究人员熟悉激光，而激光本身就是一种量子技术。这项技术的挑战在于如何让光子相互作用，以便系统能够处理所需的信息。然而，Humble说:“这是一个非常有前景的领域，因为光子的传播速度非常快。”“你可以用它们在不同地点之间分发信息。”
与此同时，研究人员继续探索其他类型的量子比特设备。例如，一项早期的技术使用拓扑绝缘体来编码对噪声具有内在弹性的信息。这些材料系统的内部起到绝缘体的作用，而表面则含有导电态，使电子可以很容易地移动。产生的奇异量子态被用于一种叫做“编织”的计算形式。
就像织物中的编织一样，编织交换了电子的相对顺序。然而，由于它们的量子性质，它们执行有意义的计算。微软已经与橡树岭的量子科学中心(Quantum Science Center at Oak Ridge)合作，在使用超窄纳米线设备的拓扑量子计算机的开发中拥有领先的商业股权，而该实验室正在探索能够证明这些效应的新材料系统。
一个一个量子位
今年2月，量子计算领域向前迈出了重要的一步，Persaud和伯克利国家实验室的一个团队发现了一种形成自对齐颜色中心的可能方法，这种颜色中心的距离足够近，有可能将可扩展性提高到10000量子位以上——大约比其他离子捕获技术高出两个数量级。一个该团队通过使用离子束在钻石中产生人造颜色中心来完成这一壮举;现在，该公司正致力于创建具有单线颜色中心的样品，并测量它们的量子行为。颜色中心是一种微观缺陷，它与晶体结构中空隙旁边的一个氮原子有关。
通过激发通过的离子在金刚石晶格中形成氮空位中心，该中心和相邻的碳原子可以作为固态量子位元。更重要的是，晶格有助于保护它们的相干性，使它们纠缠在一起。这具有重大的意义，因为量子系统可以在不需要低温环境的情况下存储数据。“你可以使用光子的光学检测，这是一项成熟的技术，来检测和测量量子位的状态，”Persaud说。
同样，在今年5月，圣路易斯华盛顿大学的一个团队，由该校McKelvey工程学院Preston M. Green电气与系统工程系的副教授Jung-Tsung Shen领导，开发了一种基于光的高保真两比特量子逻辑门。b它使用光子调光器将效率提高了一个数量级，光子调光器是一种存在于空间和频率中的光子相互作用。当一个光子进入栅极时，没有反应;然而，当两个同时进入时，在量子框架内执行两比特操作是可能的。
今年6月，麻省理工学院(MIT)的研究人员还取得了另一项重大突破，他们通过可调谐耦合器的保真度提高，找到了一种减少双量子比特门误差的方法。这种耦合器系统允许研究人员在保留量子比特的同时，开启和关闭各种操作。c为了减少导致错误的量子位到量子位的相互作用，研究人员在耦合器中利用更高的能级来消除有问题的相互作用，并最终消除错误。该方法“有助于解决当今最关键的量子硬件问题之一，”麻省理工学院电子工程和计算机科学研究生Youngkyu Sung说。
前方的道路
尽管取得了所有这些进展，通向量子计算机的道路仍然充满障碍。
因为退相干发生得如此之快，在电子系统中提高材料纯度和降低噪声是至关重要的，Erik DeBenedictis说，他是IEEE量子计划的联合主席，该计划是IEEE所有量子技术项目和活动的领导团体。DeBenedictis说，目前许多系统产生的热量太多了;当工程师们试图扩展量子设备时，“有太多的量子位被挤得太近，而且有太多的串扰。”
克服规模问题并非易事。Cuthbert说:“目前的挑战是制造一个足够大的集合，并显示出足够的降噪效果，以提供有用的结果。我们还需要为展示明显量子优势的用例开发更好的算法。”
最后，我们需要更好地理解在不同量子平台上发生的不同行为，Cuthbert说。“有些地方比其他地方更吵。我们的任务不仅仅是发现一个完美的量子位，然后将它与下一个完美的量子位配对。量子比特之间的连通性以及这些交互发生的速度都存在问题。”更大的挑战是:不同类型的量子比特设备和技术对噪声的容忍度不同，这可能需要不同的错误缓解、校正和控制方法。
然而，开发功能性量子计算机的竞赛仍在继续。在接下来的几年里，量子比特设备可能会变得成熟、规模化，并发展成更先进的系统。例如，IBM承诺到2023年将生产出1000量子比特的机器。d
Persaud说:“量子计算是一个很大的领域，它有很多方面。目前，哪种方法会胜出还没有共识。我们可能会看到一种方法最终占上风，但我们也可能会看到针对不同量子计算用途的不同类型的系统。”
进一步的阅读
宋玉玉，丁丽娟，Braumüller, J, Vepsäläinen, A，阚楠，B，等。
基于可调谐耦合器的高保真无CZ和z iSWAP门的实现物理评论第11卷第2期。2021年6月16日;https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.11.021058
雷克、佩尔绍德、克里斯蒂安、巴纳德、e.s.、陈、e.m.等。
沿快速重离子轨迹在氮掺杂金刚石中直接形成氮-空位中心。应用物理第118卷，第8期。2021年2月24日;https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0036643
陈铮、周勇、沈建军、顾平、钢德、周勇、沈建军、周勇、沈建军、周勇、沈建军、周勇、沈建军、周勇。
光子二聚体使能的双光子控制相位门，物理评论A第103卷第5期。2021年5月;https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.103.052610
海斯(M. Hays)、法特米(V. Fatemi)、布曼(D. Bouman)、戴蒙德(Diamond)、c.s.、塞尼亚克(Serniak)等
Andreev自旋量子比特的相干操纵，康奈尔大学，2021年1月17日。https://arxiv.org/abs/2101.06701
©2021 acm 0001-0782/21/11
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