我们已经取得了量子计算的霸主地位吗？谷歌是这样认为的。10月23日，总部位于美国加州山景城的美国跨国科技公司谷歌的首席执行官Sundar Pinchai发表了一篇博文，宣扬该公司研究人员在构建量子计算机方面取得的胜利，“只需200秒即可完成一个测试计算，而这本来是最强大的超级计算机中最著名的算法需要数千年才能完成的。”
在谷歌AI博客上的另一篇文章中，量子硬件首席科学家John Martinis和谷歌AI量子公司量子计算理论首席科学家Sergio Boixo表示，他们的目标是尽快构建一个容错量子计算机。他们设想这样一种量子设备能够推动材料设计的进步，从而产生用于汽车和飞机的新型轻量化电池、更有效的药物以及更好的催化剂，以更有效地生产肥料，减少碳排放。
谷歌计算业绩的细节立即引起了量子计算领域其他重量级公司的反对，比如总部位于纽约州阿蒙克市的国际科技公司IBM，他们认为在经典系统中，同样的计算任务的理想模拟可以在短短几天内完成，而且保真度更高。IBM还批评了谷歌使用“霸主地位”这个词，并重申了自己关于量子计算机和经典计算机以互补方式协同工作的愿景。
无论如何，量子信息科学（QIS）再次成为人们关注的焦点。正如位于伊利诺斯州的芝加哥大学物理学家和量子工程师David Awschalom所说，“量子信息科学在最小尺度上利用自然的特性来创造一项有意义的技术。”美国政府已经通过《国家量子倡议法案》(National Quantum Initiative Act)承认了量子信息科学的价值，该法案旨在为经济和国家安全目的加速量子的研究和开发。
对于许多普通观察者来说，量子似乎很深奥，但白宫科学技术政策办公室量子信息科学副主任Jacob Taylor指出，基于量子的技术已经使用了几十年。“支撑全球定位系统(GPS)的原子钟是基于量子理论的，”Taylor说。“在医学上，我们使用量子技术为磁共振成像（MRI）机器提供动力，探测人体内部核自旋的聚合特性，以找到例如血液在何处释放氧气。”
学术界和工业界的研究人员正在努力开发基于量子信息科学的更先进的技术。这些努力可以分为三个主要领域：计算、通信和传感。
其中，Awschalom认为，量子信息科学的一些直接应用将出现在传感和通信领域。“量子态的脆弱性使它们成为强大传感技术的基础，”Awschalom表示。“在十年内，量子传感技术的进步可能会让我们将核磁共振成像分辨率降低到单分子水平，并将传感器放置在活细胞内，以观察细胞机制的运作。”
脆弱的力量
在尝试建造量子计算机时，相同量子态的脆弱性会给良好的传感器带来挑战。
“量子计算机的独特功能源于量子比特或量子位（是量子信息的基本单位）中的两个特殊特性，”位于北卡罗来纳州达勒姆市的杜克大学电气和计算机工程师、马里兰州帕克分校量子计算初创公司IonQ的联合创始人Jungsang Kim说道。“其中一个特征是叠加原理，量子比特可以同时存在于0和1两种状态，它们之间的重量和相对相位是可控的，直到量子位被测量。另一个特征是纠缠，即几个量子位之间存在相关性，即使每个量子位的状态不能完全被确定为0或1。”
马里兰大学物理学家、IonQ联合创始人兼首席科学家Chris Monroe解释说，为了保护存储在量子粒子中的叠加态，量子技术通常涉及独特的材料和条件。
“量子基本规则之一是叠加只有在你不看它的时候才存在，”Monroe强调道。“这意味着量子在简单系统中效果最好，例如悬浮在真空室内的非固体或表面的孤立原子，或者被冷冻到接近绝对零度的独特固态设备。”
Monroe说，如果满足这些条件，这样的设备就能形成量子计算机，有可能解决常规经典计算机永远无法解决的问题。
他给出了复杂分子化学建模的例子。“考虑像咖啡因这样的分子，它有超过100个电子，”Monroe建议道。“这些电子是如何知道要去哪里以及它们的能级应该是多少？目前，我们无法计算这些电子的结合能，这意味着很难知道一个特定的分子将如何与其它分子相互作用。量子计算可能在优化这些模拟方面有巨大的应用。”
转向固态
量子计算机有可能成为家用甚至企业机器吗？Awschalom认为，量子计算机的大规模生产取决于找到让量子比特在不太特殊的环境下工作的方法。“在真空中或超导体中使用原子制造量子比特是令人印象深刻的，但我们现在专注于使用固态材料制造量子比特，”他说。“电子制造业的现有基础设施价值上万亿美元。如果我们能用半导体开发出可伸缩的量子比特，那么业界就可以生产数十亿个。”
Awschalom的团队发现，他们可以利用商用碳化硅二极管，制造缺陷来捕获电子，并基于具有长相干时间和可调谐量子能量的电子自旋，建立他所说的“惊人的”量子态。他说:“我们现在正处于概念验证阶段，但这些初步结果表明，我们有一个可伸缩性的途径。”
就在这一点
如果说有哪家公司了解大规模电子制造，那非英特尔莫属。英特尔是一家总部位于加州圣克拉拉的跨国科技公司。该公司拥有超过10万名员工，每秒生产100亿个晶体管（或每年生产超过30亿亿个晶体管)。
英特尔量子应用与架构总监Anne Matsuura说，她的公司正在利用其在硅制造和封装的特殊能力来开发硅量子点量子比特，她将其比作单电子晶体管。
英特尔已投资5000万美元，与代尔夫特理工大学和荷兰应用研究组织TNO进行为期10年的合作，以推进量子计算。合作的一个方面涉及“热量子比特”实验——研究硅点量子比特是否能在高温下工作。“到目前为止，我们的合作伙伴在1开尔文下取得了有希望的实验结果，”Matsuura说。“显然，这仍然相当冷，但它比今天所需的低温温度高几个数量级。我们希望能够继续提高量子比特运行的温度范围。”
英特尔正在采取其他措施，为半导体自旋量子比特创建一个300毫米、大容量制造和测试线。英特尔与Bluefors和Afore合作，开发了一种低温晶圆探测器（或称低温探测器），可以在几开尔文的温度下测试量子比特。英特尔预计，低温探测器将使其自动化并加速对量子噪声源和量子点质量的测试，从几周到几分钟。
使用大自然的量子比特
虽然英特尔正在寻找加速量子比特错误测试的方法，但IonQ旨在通过完全不制造量子比特来回避其制造过程中的挑战。
“我们使用电离原子——大自然的量子比特，”IonQ总裁兼首席执行官Peter Chapman说。“我们不制造原子，所以每个量子比特都是完美的，没有任何差异。漂浮在真空中，它们的基本退化时间尺度为1万年，退相干时间可以延长至数年。”
IonQ利用电磁场在超高真空室内的硅片上部署并捕获原子量子比特，从而创造出该公司所称的世界上第一台商用捕获离子量子计算机。
“我们的技术基于与原子钟相同的原理，”Chapman说道。“如果你回顾一下20世纪50年代的原子钟，它会占据整个房间，但现在它可以安装在单个芯片上。我们的方法可以在室温下工作，并且大部分情况下可以使用现成的组件。可以合理地预期，我们的技术将遵循与原子钟和其他电子产品一样的路径，并随着时间的推移而收缩。如果人们在10年内订购量子笔记本电脑，我并不会感到惊讶。”
这些量子笔记本电脑能做什么呢？Chapman认为，只有量子计算机才能处理强大的人工智能所必需的自然语言处理的爆炸性组合需求。
“如果你看一个句子中单个单词的意思，它是与句子中所有其他单词的上下文、段落、文档和你以前的经历联系在一起的，”Chapman表示。“语言包含了量子计算机真正擅长的多种可能含义的组合爆炸。现实世界自然是量子的。如果我们的智慧也来自同一个地方，这真的会令人惊讶吗？”
IBM提高了体积
当许多量子计算研究人员专注于增加量子比特的数量时，IBM采取了一种不同的方法。2017年，IBM宣布了一项名为量子体积的指标，该指标不仅基于量子比特数来决定量子计算机的性能，还基于对各种因素进行整体评估，如量子比特相干时间(它们保持叠加态的时间量)或可能影响量子处理器操作精度和准确性的测量误差。
“如果量子计算机系统存在弱点，那么单个量子比特有多好都无关紧要，”位于纽约约克城高地的IBM研究院IBM Q生态系统开发副总裁Bob Sutor坦言。“软件也很重要。我们必须能够接受用户程序并对其进行转换，以便使其以优化的方式在真正的量子硬件上运行。”
IBM已经通过一个开放项目和商业IBM Q网络将其量子计算机上线，为爱好者、学者和行业研究人员提供一个学习和试验实际量子机器的机会。自2016年推出IBM Q以来，已有约17.5万人注册使用该系统。IBM量子科学家利用Q网络与巴克莱、摩根大通和三菱化学等行业合作伙伴合作，试图提高资本市场证券结算效率，实现期权定价的二次加速，并模拟锂—空气电池中锂与氧反应机理的初始步骤。
代码生成器和电码译员
使用量子计算机设计更好的电池似乎是一个崇高的目标，但如果不法分子试图利用强大的量子计算机的处理能力来破解加密算法呢？
幸运的是，美国国家标准与技术研究所(NIST)正在研究这个问题。“要让量子计算机通过分解大量数据来威胁（经典）密码方法，还需要很长一段时间，但NIST已经在努力认证后量子密码系统，”Taylor说。“我们有望在2022年之前获得该认证，这意味着首席技术官应该计划在未来10年内向后量子密码保护过渡。”
与此同时，量子信息科学的进步可能会导致真正不可能被黑客入侵的加密方法的发展——至少在不提醒接收方消息被拦截的情况下。
“在量子世界里，观察事物的行为会改变它。从安全角度来看，这是一个优势，”Awschalom解释道。“我们可以利用纠缠光子通过光纤网络发送信息。如果有人试图拦截消息并查看内容，他们将无法将其‘放回’相同的状态。信息将被加密发送，接收方会知道有人试图窃听传输中的通信。”
时间会证明一切
国家标准与技术研究所和科罗拉多大学博尔德分校的物理学家叶俊(音译)正在利用量子力学推进时间测量。他利用激光束和蒸发技术，将原子一个接一个地装入由光构成的晶格中。这些新的原子钟比传统原子钟精确约100倍。基于这种新的时钟，叶俊(音译)和同事在10月份发表了一篇论文，表明他们在光学领域开发了一种新的时间尺度，其性能比当前用于定义世界时间的时间尺度好10倍。
叶俊(音译)指出，这种改进可能对通信和导航有直接的好处，因为卫星使用激光束而不是微波向彼此和地球发送信息。“你可以向星际飞船发送精确的指令和导航坐标，这样你就可以同步它在火星上的自动着陆，”他说。“每次我们增加时钟技术时，通常会引起社会其他地方多层技术的进步。事实上，推动时钟和量子计算机发展的技术来自于今天正在发生的同样的量子革命。” ■
Aaron Dalton是居住在田纳西州纳什维尔附近的自由撰稿人和编辑。
鸣谢：“原文由美国科学促进会（www.aaas.org）发布在2019年11月15日《科学》杂志”。官方英文版请见https://www.science.org/content/article/quantum-technology-comes-age。