量子计算的进展

最近一波量子计算投资浪潮引发了一种说法量子计算泡沫专家称，该领域尚未显示出任何实际用途。但业内一线的高管们表示，量子计算确实是一项商业上可行的技术，尽管至少还需要几年时间才能克服极具挑战性的技术障碍。

如果这些更为乐观的估计是正确的，那么整个科技界将在短短几年内发生变化。科学家们正指望量子计算的潜力来解决高度复杂的问题，比如破解牢不可破的密码和创造救命药物。上个月，搜索引擎公司百度报道它已经开发出了量子计算机，加入了谷歌、IBM和英特尔等量子开发公司的行列。过去几年，投资者以惊人的速度向该行业投入大量资金。根据麦肯锡的报告在美国，量子计算创业公司去年获得的资金从前年的7亿美元跃升至14亿美元。

然而，麦肯锡的报告也表示，这一势头可能正在放缓，部分原因是对量子计算专家的需求超过了合格人才的供应。另一些人则警告说，这个行业正在走下坡路夸张的，关于近期量子技术能够催生更先进的量子计算机的预测是没有根据的。反对者还指出纸在上个月发表的一篇论文中，研究人员使用传统的计算方法挑战了谷歌关于在2019年达到量子霸权的说法。

量子业内人士表示，真相是所有这些数据点的复杂混合体。首先，公众关注的是量子霸权的竞争——创造出一种性能优于不太先进的计算机——可能没有抓住重点。IBM研究人员在2019年写道:“一个包含‘量子霸权已实现’的变体的标题几乎不可抗拒地要印刷，但它将不可避免地误导公众。”“量子计算机永远不会‘至高无上’地统治经典计算机，而是会与经典计算机协同工作，因为每种计算机都有其独特的优势。”

IBM最新的发展路线图预计该公司明年将把量子技术扩展到1000个量子比特以上，并运行并行量子处理器。第二年将介绍错误抑制和缓解技术，IBM表示这为量子错误纠正奠定了基础:这是释放量子计算全部潜力的主要关键之一。

从错失商业机会和潜在安全威胁的角度来看，专注于量子计算的到来日期甚至可能是危险的。IBM瑞士研究中心安全和隐私活动负责人迈克尔·奥斯本(Michael Osborne)表示，公众“不能承担没有为量子进步做好准备的风险”。

奥斯本说:“你不能等到这样的机器出现，你必须为这些东西的发展提前做好准备。”“对于量子计算机将产生影响的组织来说，无论是好是坏，这一旅程现在就开始了，因为我们无法预测某些形式的混合内存何时会有重大突破，这真的会加快大型机器的可用速度。”

此外，这些高管表示，研究人员还需要数年时间才能解决多重挑战，使量子技术在商业上可行。这个行业有尚未达成共识就连量子计算的基本问题，比如哪种材料最适合做量子芯片。例如，Imec在其cmos兼容的制造技术中依赖于硅，这限制了可能导致量子位失去能量的缺陷。另一方面，美国能源部下属费米实验室的研究人员表示，硅通过一种被称为量子退相干的过程缩短了量子比特的寿命，因此可能不太适合用于量子芯片，而不是蓝宝石或其他材料。

“当你把量子计算的当前状态与我们所知道的计算——标准数字计算——进行比较时，人们经常说我们大概是在上世纪40年代，也许是50年代。”说Sebastian Luber，技术和创新高级总监英飞凌科技．“除了概念的证明，除了第一个例子，目前的量子计算机无法做一些有用的事情，尤其是与行业或社会相关的事情。还有很长的路要走。”

有用之路
许多量子技术挑战的核心是量子比特，量子力学计算系统中的信息单位。尚待完成的最重要的开发工作包括提高量子比特的可靠性，并在更长的时间内保存它们的量子特性。

Luber说:“至少对于部分量子比特，相干时间必须得到显著改善。”“我们还需要更多，因为目前我们仍然非常有限。我们有几十个量子比特，但我们需要数百、数千，甚至更多。”

另一个关键的挑战是纠错，随着越来越多的量子比特放在一起，纠错问题变得越来越大。“经过几个周期的监管，你已经无法将结果与纯粹的噪音区分开来。解决这个问题的一个方法是量子纠错。你将大量的物理量子比特与逻辑量子比特绑定，这样就安全了，”他说。

制造量子计算机则是另一组问题。“这些系统非常容易受到环境的影响，”鲁伯说。“只要环境发生变化，就会引入噪音来干扰系统。保护它们的一种方法是冷却它们。还有其他方法，未来有可能拥有室温量子计算机。”

即使量子计算的科学已经建立，也会有挑战，比如让业界熟悉一个与历史上任何其他计算机都完全不同的计算系统。

埃里克·霍兰德，公司业务拓展经理Keysight的量子工程解决方案集团(Quantum Engineering Solutions Group)表示，量子计算机看起来不会像当今消费者所熟悉的标准笔记本电脑或台式机。“它们的外观因量子技术而异。然而，它们都有射频工程师熟悉的元素——任意波形发生器、数字化仪和数字输入/输出卡。还有一些更奇特的元素，比如高能可见激光或低温技术。这种相似性更接近于服务器群和科学项目的混合体。”

改进和监控量子系统看起来也不一样。Holland说:“这可能来自于材料堆栈的改进，设计的改进，或者通过控制和环境的改进。”“衡量这些改进具有挑战性，因为改进对应着错误的减少。误差越小，就越难以准确、及时地进行测量。此外，由于所有操作都有一定的相关误差，因此以可靠的方式准确表示系统误差预算具有挑战性。”

案例研究:GlobalFoundries和PsiQuantum
制造量子计算机完全是另一回事，而且充满了未知。

GlobalFoundries硅光子学产品管理副总裁安东尼·余(Anthony Yu)在谈到利用传统制造方法并将其改造用于量子计算制造时表示:“这要么是我工作的诅咒，要么是我工作的福利。”去年，GlobalFoundries和它的合作伙伴PsiQuantum宣布他们已经开始使用硅光子和电子芯片制造全面商用量子计算机的基本组件。Yu说:“我们相信我们可以控制光子，并能够使它们具有经典的纠缠和叠加量子特性，并允许这些非常复杂的算法在这些光子量子比特上执行。”

项目所需的技术能力既重要又多样。“你需要在非常低的温度下工作——要么是毫开尔文，要么是我们的一些客户能够在4开尔文工作，这仍然是相当低的温度，”Yu说。“你还需要控制电子设备的能力，即使你使用的是量子态，也能执行计算并应用算法。第三，你需要非常非常快的导电性。第四，这是所有这些的艺术，你需要能够制造这些量子位。有很多方法可以做到这一点——超导技术、量子点。”

与任何量子技术一样，即使是最轻微的缺陷也会产生无法使用的产品。

“你必须小心翼翼地创造完美的量子比特，”Yu说。“为了实现这些量子计算，这些部件基本上必须不受环境的干扰。你必须以不受干扰的方式生成光子、操纵光子和检测光子，这样你就可以利用量子计算算法来解决这些非常复杂的问题。”

有进步的迹象。他说:“我们实际上可以控制芯片上的光子，我们正在将我们在其他商业领域拥有的光子技术应用于数据通信和数据中心等领域。”“我们使用了相同类型的功能，比如过滤器、探测器、开关，以及控制光子在传播时的延迟。我们使用相同的制造技术和相同的制造结构，但你要在非常非常低的温度下做，以确保这些是完全控制的光子。”

与此同时，光子在芯片上传输时必须有极低的损耗，但控制量子比特的芯片只是在同一类型的晶圆厂制造的硅基芯片。“我们使用了不同于普通CMOS处理的材料，因为我们以非常不同的方式处理这些光子。

“我们使用浸没式光刻技术来制造这些波导，这就是光子传播的地方，”Yu说。“它使它们的侧壁非常光滑，因为完美的光子在沿波导壁的侧壁散射时会受到干扰。这和我们控制数据中心的逻辑芯片和光子芯片的方法是一样的。”

虽然量子计算系统的其他部分，如控制电子器件，往往是在非常小的节点上生产的，但Yu说，量子芯片不违反摩尔定律。“我们在45纳米工艺上做了很多工作，很多人会认为这是落后技术。”

当然，并不是所有基于硅的方法都可以转移到量子计算领域，特别是当它涉及波导损耗或单光子检测时。Yu说，SPD要求光子沿着“必须接近超导”的材料传播。他不愿透露两家公司在这一步过程中使用的材料，但将其描述为“新的”，“我们不会在任何其他传统CMOS技术中使用”。

结论
所有这些技术和过程的总和仍然很有前途。“很多业内人士认为，世界上第一台有用的量子计算机将在2027年至2028年的时间内问世。”“我看到它正在发生。否则，我不会像现在这样投入到这个过程中。”