建造实用量子计算机的竞赛可能正在进入一个新阶段。一些领先的技术现在面临规模限制，而其他技术则迅速崛起。
多年来，两种领先的方法使物理学家在一定程度上通过用越来越多的量子比特填充设备取得了进展，量子比特相当于计算机的内存比特。其中一种方法将量子位编码为在超导回路上运行的电流。另一个使用被电磁场困在真空中的单个离子的激发态。
但在过去的两年里，由单个中性原子——而不是离子——组成并用激光制成的“镊子”固定的量子位突然变得具有竞争力。其他处于更早期发展阶段的技术可能会迎头赶上。
荷兰代尔夫特理工大学量子研究所 QuTech 的理论物理学家芭芭拉·特哈尔 (Barbara Terhal) 说：“超导量子位和俘获离子量子位进行了最先进的实验，控制了最多的量子位。” “然而，这并不能保证这些平台将保持领先地位。”
对量子位的探索
量子计算机有望通过利用量子叠加等现象来解决经典机器无法解决的问题，在量子叠加中，一个物体可以同时存在于两种状态——例如，顺时针和逆时针旋转。物理学家称这种状态为量子位，以区别于只能为“0”或“1”的普通位。
众所周知，量子态是脆弱的。在量子计算机中，它们携带的信息——可以延伸到多个量子位以形成“纠缠”状态——往往会随着计算的进行而退化或丢失。为了尽可能长时间地保持状态，量子位必须与环境隔离。但它们不能彼此过于孤立，因为它们必须交互才能执行计算。
除其他因素外，这使得构建有用的量子计算机具有挑战性。但该领域的发展比 QuTech 研究主管 Lieven Vandersypen 十年前所预料的要远。“进展实际上令人印象深刻。”
谷歌在 2019 年成为头条新闻，当时它声称一台由 54 个超导量子位组成的机器进行了第一次量子计算，这在经典计算机上可能需要花费不可思议的时间，这一成就被研究人员称为量子优势。在超导量子比特领域投入巨资的科技公司 IBM 预计将在未来几个月内达到一个里程碑，届时它将推出名为 Condor 的量子芯片，这是第一个突破 1,000 量子比特大关的芯片。
去年 11 月，该公司宣布推出其之前的芯片 433 量子比特 Osprey——这是 127 量子比特 Eagle 的后续产品，后者在 2021 年创下了记录。“我们真的很想制定一个路线图，就像你对半导体行业的期望一样，”纽约约克镇高地 IBM Thomas J. Watson 研究中心量子计算机项目负责人 Jerry Chow 说。
质量和数量
Chow 表示，IBM 的目标不仅是增加量子比特的数量，而且还提高它们的质量。他说，该公司的一些超导元件可以保持其量子态超过 300 微秒——这是该技术的一项记录。在另一个关键指标中，涉及两个量子位的操作现在有 99.9% 没有错误。
一旦芯片上的超导量子位的数量远远超过 1,000，扩大规模就变得不切实际，因为每个量子位都需要单独连接到外部电路以进行控制和读出。因此，IBM 将采用模块化方法。从 2024 年开始，其路线图上的每一步都不会增加芯片上的量子位数量，而是将多个芯片连接到一台机器上——如果连接必须携带量子态不受伤害或帮助，这并不简单将量子比特纠缠在不同的芯片上。这些芯片是包裹在低温系统中的大型装置的核心，使芯片保持接近 0 开尔文。
俘获离子计算机可能比超导计算机具有更严格的尺寸限制，部分原因是它们需要单独的激光设备来控制每个离子。通常，这意味着将陷阱限制在每个芯片大约 32 个离子的行中。但 IonQ 是一家从马里兰大学帕克分校分拆出来的初创公司，该公司表示，其方法使其能够将多行离子封装到一个芯片中，可能达到 1,024 个量子位。除此之外，IonQ 还计划转向模块化方法，连接多个芯片。据该公司发言人称，在实验室实验中，被困离子的保真度高达 99.99%。
镊子技术
另一种技术——直到几年前还几乎无人问津——也可能很快就会突破 1,000 量子位的障碍。它使用紧密聚焦的激光束捕获中性原子，称为光镊，并在原子的电子态或原子核的自旋中编码量子位(参见“激光镊子”)。十多年来，这种方法一直在逐渐发展，但现在它正在“蓬勃发展”，马萨诸塞州剑桥市哈佛大学的物理学家 Giulia Semeghini 说。
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