哪把“鑰匙”能打開未來“大門”

量子計(jì)算作為下一代信息處理技術(shù)的重要方向，正受到各國高度重視。量子芯片是量子計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理器，是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的核心。近年來，基于不同物理原理的量子芯片不斷涌現(xiàn)。

2024年12月上旬，谷歌（Google）公司推出其最新量子芯片“威洛”（Willow），引發(fā)全球輿論的高度關(guān)注。這或許代表了通往量子計(jì)算的某條路徑有所突破，但最終哪把“鑰匙”能真正打開量子計(jì)算的“大門”仍未可知。

技術(shù)路徑“百花齊放”

“芯片化、集成化是量子計(jì)算機(jī)由實(shí)驗(yàn)裝置走向?qū)嵱玫谋厝悔厔荨！鄙虾＝煌ù髮W(xué)教授、圖靈量子創(chuàng)始人金賢敏介紹，量子芯片可按照其所用量子比特的類型分類，目前有三大主流技術(shù)路徑——超導(dǎo)、光量子和離子阱。近年來，中性原子量子比特技術(shù)有所發(fā)展，可能成為第四大路徑。

美國國際商用機(jī)器公司（IBM）、Google等企業(yè)將超導(dǎo)量子芯片作為主要攻關(guān)方向。2019年1月，IBM發(fā)布全球首臺完全集成的通用量子計(jì)算機(jī)——“IBM Q System One”，其芯片包含20個超導(dǎo)量子比特。同年，Google借助包含53個超導(dǎo)量子比特的“懸鈴木”（Sycamore）量子芯片，率先演示量子霸權(quán)。最近大火的Willow也是超導(dǎo)量子芯片。

2021年，加拿大量子計(jì)算企業(yè)Xanadu推出8個比特的X8光量子芯片，拉開了光量子計(jì)算商業(yè)化的序幕。2022年6月，Xanadu使用可編程光量子芯片Borealis，展示了量子計(jì)算優(yōu)越性。

2015年，專注于研制離子阱量子計(jì)算機(jī)的IonQ公司創(chuàng)立。2020年，IonQ發(fā)布了一個包含11個量子比特的量子芯片，宣稱其實(shí)現(xiàn)了比Google更高的量子優(yōu)越性。IonQ之后又相繼發(fā)布包含20個量子比特、32個量子比特的芯片。在IonQ之后，美國霍尼韋爾子公司Quantinuum等也加入了研制離子阱量子芯片的行列。

近幾年，中性原子技術(shù)路徑也開始崛起。美國、法國等國研究團(tuán)隊(duì)相繼在這一領(lǐng)域取得進(jìn)展。

“此外，硅基量子比特、拓?fù)淞孔颖忍氐燃夹g(shù)也在發(fā)展之中，但與超導(dǎo)、光量子等主流路徑相比，仍處于非常早期的階段。”金賢敏說。

科大國盾量子技術(shù)股份有限公司量子計(jì)算云平臺負(fù)責(zé)人儲文皓說，即便是同一類技術(shù)路徑，不同團(tuán)隊(duì)選擇的實(shí)現(xiàn)方式也不盡相同。例如，同樣是超導(dǎo)量子芯片，Google將量子比特排列成四邊形，而IBM量子比特的布局則是呈蜂窩狀的六邊形。

關(guān)鍵難題亟待破解

“成也蕭何，敗也蕭何。”金賢敏說，不同類型的量子比特催生了不同的量子芯片技術(shù)路徑，但也給這些技術(shù)路徑帶來了與生俱來的固有問題。

儲文皓說，可以使用量子比特?cái)?shù)、保真度（計(jì)算的錯誤率）、系統(tǒng)相干時間（量子比特保持量子狀態(tài)的時間，量子計(jì)算只能在量子狀態(tài)下開展）等指標(biāo)來評價一種量子芯片。

儲文皓介紹，超導(dǎo)量子芯片使用“約瑟夫森結(jié)”為基礎(chǔ)的超導(dǎo)電路充當(dāng)量子比特，其最大優(yōu)勢是可利用現(xiàn)有成熟的集成電路工藝進(jìn)行制造，可擴(kuò)展性強(qiáng)，容易構(gòu)建比特?cái)?shù)更多的量子芯片。

“但超導(dǎo)量子比特易受環(huán)境影響，相互之間也容易產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致計(jì)算錯誤率較高，所以超導(dǎo)量子芯片尤其需要解決糾錯問題。”金賢敏說，此外，超導(dǎo)電路需要在接近絕對零度的極低溫下運(yùn)行，這必然會增加量子計(jì)算機(jī)的制造成本和使用時的限制條件。

“光量子芯片利用光子作為量子比特。”金賢敏解釋，光子不受電磁噪聲干擾，量子相干時間極長，適用于長時間量子計(jì)算。同時，光量子芯片可在常溫下運(yùn)行，無需超低溫制冷設(shè)備，顯著降低了運(yùn)行成本和部署難度。更重要的是，光量子芯片對制造工藝要求較低，可利用現(xiàn)有半導(dǎo)體技術(shù)逐步進(jìn)行迭代優(yōu)化。

“但光量子芯片也面臨光子間相互作用難以工程化、集成光子線路設(shè)計(jì)難度大等挑戰(zhàn)。”金賢敏說，相比超導(dǎo)量子芯片，其初期技術(shù)門檻更高，發(fā)展路徑較為陡峭。

“離子阱量子比特是把一個帶電粒子放到電磁場中，利用激光來調(diào)控。”儲文皓介紹，離子阱技術(shù)路徑的最大優(yōu)勢是相干時間長，達(dá)到了小時級，計(jì)算保真度也非常高。但問題是擴(kuò)展性相對較差，目前離子阱芯片實(shí)現(xiàn)的量子比特?cái)?shù)較少，原因是離子間的相互排斥容易導(dǎo)致離子陣列的混亂。

中性原子量子計(jì)算使用激光冷卻和囚禁中性原子，通過微波或光學(xué)躍遷操控原子作為量子比特。“中性原子最大的優(yōu)勢是擴(kuò)展性超強(qiáng)，目前所有固態(tài)類型的量子處理器中，中性原子技術(shù)實(shí)現(xiàn)的量子比特?cái)?shù)是最多的。”儲文皓說，但中性原子的高效率讀取非常困難，且現(xiàn)有的中性原子量子比特更像是一個實(shí)驗(yàn)室樣品，距離工業(yè)化還很遠(yuǎn)。

“離子阱和中性原子技術(shù)路徑有個相似的固有問題。”金賢敏說，這兩種技術(shù)路徑在構(gòu)建量子比特時，都需要激光器等宏觀光學(xué)元器件，技術(shù)較為復(fù)雜，加大了芯片集成的難度。

花落誰家尚未可知

2023年，美國工業(yè)咨詢公司ADL發(fā)文稱，其邀請數(shù)百名業(yè)內(nèi)人士參與調(diào)查，結(jié)果分別有39%、35%和36%的量子專家認(rèn)為基于電子（如超導(dǎo)）、基于原子（包括中性原子和離子阱）和基于光子的量子比特技術(shù)會最先取得成功。文章認(rèn)為，這種均衡的分布表明，哪種量子比特能夠打開量子計(jì)算的“大門”這一問題仍然懸而未決。

放眼全球，很多國家都采取了多路攻堅(jiān)、多頭下注的方式，同時發(fā)展多種量子芯片技術(shù)。以美國為例，2022年，超導(dǎo)量子計(jì)算企業(yè)Rigetti Computing獲美國國防高級研究計(jì)劃局（DARPA）資助。2023年初，DARPA宣布選定Atom Computing、微軟和PsiQuantum公司分別研究中性原子、拓?fù)浜凸饬孔佑?jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)概念。2023年12月，DARPA資助的哈佛大學(xué)等機(jī)構(gòu)研究人員在《自然》發(fā)表論文，稱其開發(fā)出一種包括48個邏輯量子比特的中性原子量子芯片模型。

在金賢敏看來，盡管Willow在解決超導(dǎo)量子芯片糾錯問題上取得了科學(xué)原理上的突破，但目前要研制出百萬量子比特的通用量子計(jì)算機(jī)尚需時日，最先勝出的技術(shù)路徑可能是超導(dǎo)或者光量子。

金賢敏認(rèn)為，現(xiàn)有技術(shù)路徑中只有這兩種已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了量子霸權(quán)。值得注意的是，光量子芯片在玻色采樣實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了量子霸權(quán)，相比超導(dǎo)量子芯片實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)的隨機(jī)線路采樣實(shí)驗(yàn)更具有潛在應(yīng)用價值。采用光量子路徑可能先于超導(dǎo)路徑研制出某些領(lǐng)域的專用量子計(jì)算機(jī)。“美國PsiQuantum公司是目前全球融資最多的量子計(jì)算初創(chuàng)企業(yè)，它采取的正是光量子芯片技術(shù)路徑。這可能代表了資本市場的某種選擇。”金賢敏說。

儲文皓則認(rèn)為，光量子路徑在專用量子計(jì)算機(jī)上確有優(yōu)勢，但Willow在糾錯問題上的突破無疑給超導(dǎo)路徑打了一劑“強(qiáng)心針”。超導(dǎo)路徑能否實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的量子計(jì)算機(jī)已不是一個科研問題，而是一個工程問題。如果更高性能的制冷機(jī)、集成度更高的超導(dǎo)芯片、使用人工智能高精度控制量子比特等技術(shù)能夠得到解決，Google和IBM提出的在2030年左右研制出百萬量子比特的商業(yè)化量子計(jì)算機(jī)的目標(biāo)是很有可能實(shí)現(xiàn)的。光量子路徑還需要解決一些科研問題，特別是光學(xué)元器件的集成化、微型化等問題。如果集成光子學(xué)能夠取得突破，光量子路徑可能與超導(dǎo)路徑并駕齊驅(qū)。

“針對光量子的這些問題，我們正在提出一些解決方案，通過引入非線性光學(xué)材料、模塊化設(shè)計(jì)等手段，逐步解決瓶頸，推動光量子芯片在擴(kuò)展性和商用化方面取得突破。”金賢敏說。