公司和国家正在向不同的量子比特技术投入数百亿美元，但现在预测赢家还为时过早。
随着越来越多的实体竞相对这项技术进行基准测试、稳定并最终实现商业化，量子计算正在升温。
截至2021年7月，来自中国的一个团队似乎在原始性能方面处于领先地位，但谷歌、IBM、英特尔和其他量子计算机开发商也不落后。不过，这一切都可能在一夜之间改变。在这一点上，现在宣布谁是赢家还为时过早量子计算这项技术有望超越当今的传统超级计算机。
今天，谷歌、IBM和其他公司已经建立了第一波量子计算机，但这些系统仍处于早期阶段，还没有运行任何有用的商业应用程序。尽管如此，量子计算已经取得了明显的进展，这与今天的系统不同。
在今天的计算中，信息以比特的形式存储，比特可以是“0”或“1”。在量子计算中，信息存储在量子比特或量子位，它可以以“0”或“1”或两者的组合形式存在。叠加态使量子计算机能够一次执行多个计算，使其优于传统系统。但这项技术面临着许多挑战，许多行业专家认为，这些系统距离实际应用还需要10年时间。
然而，这并没有阻止公司、政府、研发机构和大学开发这项技术，并向该领域投入数十亿美元。如果它们得以实现，量子计算机可以加速新化学物质、药物和材料的开发。该系统还可以破解任何加密，这使其发展成为几个国家的首要任务。它可以为企业和国家提供全面的竞争优势。
“量子计算处于国家计划的前沿，”ibm高级副总裁艾米·梁(Amy Leong)说形状因子．他说:“我们已经宣布在15个国家进行200多亿美元的投资。像美国和中国这样的地缘政治强国肯定在争夺量子霸权的竞赛中处于领先地位，紧随其后的是来自欧洲和亚洲的其他国家。”
国家之间以及不同组织之间的竞争正在升温。在一项重大进展中，中国科学技术大学(USTC)于2021年6月展示了研究人员声称的世界上最快的量子计算处理器，超过了谷歌自2019年以来保持的53量子比特设备的先前非官方记录。中国科大的66量子比特处理器在1.2小时内完成了一个复杂的计算，今天的超级计算机需要8年才能完成。
谷歌、IBM、英特尔和其他量子计算开发商并没有停滞不前，他们正在积极设计更快的处理器。现在宣布谁是赢家还为时过早，因为这项技术仍处于起步阶段。英特尔(Intel)量子硬件主管詹姆斯•克拉克(James Clarke)表示:“当我研究第一批应用时，我们将需要数千甚至10万个量子比特来做一些有用的事情。”“如果我们今天有50到60个量子比特，要达到10万个量子比特还需要一段时间。我们还需要一段时间才能达到100万个量子比特，这是密码学所必需的。”
同时，在这个种族中还有另一个种族。供应商正在开发十几种基于离子阱、硅自旋和超导等一系列技术的量子位。每个阵营的供应商都声称他们的技术是优越的，并将使实用的量子计算机成为可能。现在断言科技行业的赢家还为时过早。
不过，这个市场还是很有前景的。根据Hyperion Research的数据，量子计算机市场预计将从2020年的3.2亿美元增长到2024年的8.3亿美元。
经典与量子计算
从时间轴来看，计算领域已经取得了巨大的进步。1945年，宾夕法尼亚大学研制出第一台通用电子数字计算机ENIAC。ENIAC利用真空管处理数据，每秒能增加5000个数据。真空管是用来控制电子的。
1947年晶体管的出现改变了一切。从20世纪50年代开始，晶体管取代了许多系统中的真空管，使计算机运行速度更快。
与此同时，1964年，现在已经不存在的控制数据公司推出了世界上第一台超级计算机CDC 6600。基于晶体管，6600集成了一个性能为2 MIPS的60位处理器。
快进到今天，智能手机比早期的电脑还要快。苹果的iPhone 12采用了基于台积电5nm工艺的A14处理器。A14集成了118亿个晶体管，拥有6核CPU和每秒运算11万亿次的16核神经引擎。
在高端领域，Fugaku在2021年保持了世界上最快的超级计算机的地位。由理研和富士通建造，Fugaku是基于手臂苹果的A64FX处理器。它拥有7,630,848个内核，每秒可实现442千万亿次浮点运算。petaflop每秒执行一千万亿次浮点运算。
Fugaku正在运行，并被用于各种研究项目。日本理研计算科学中心主任Satoshi Matsuoka在2021年VLSI技术和电路研讨会上的一篇论文中说:“Fugaku体现了首次在主要服务器通用CPU中实现的技术，如7nm工艺技术、封装集成HBM2、tb级流处理能力和芯片嵌入式高性能网络。”
“我们已经进入了千万亿次浮点运算时代，”公司首席执行官Aki Fujimura说d2．“全球有许多研究计算机正在接近百亿亿次计算(每秒1000千万亿次)。到本世纪末，我们将拥有许多百亿亿次级计算机。”
事实上，该行业需要更多的计算能力来解决当前和未来在生物技术、国防、材料科学、医学、物理学和天气预测方面的问题。
“我们需要在同样的价格下计算更多。问题变得越来越难。除此之外，我们所服务的问题也越来越大，越来越难解决。”
虽然传统计算将继续进步，但业界正急于开发量子计算。从理论上讲，这些新系统有望超越当今的超级计算机，从而加快新技术的发展。
在遥远的未来，量子计算机有望在合理的时间内破解世界上最复杂的算法。这包括肖尔算法，一个整数分解问题，可以用来破解广泛使用的公钥加密方案，称为RSA。
量子计算构想于20世纪80年代，多年来取得了一些重大进展。最近，有两个系统实现了“量子霸权”。这描述了量子计算机可以做经典计算机不能做的事情。
不过，量子计算仍处于起步阶段。目前正在努力推进这些系统，并为该技术找到有用的应用。IBM量子硬件系统开发总监Jerry Chow表示:“目前存在的所有系统主要用于探索未来的量子应用，包括研究量子化学的变分量子算法，以及机器学习的量子核估计方法。”“从基准测试和自身性能表征的角度来看，目前部署的系统也很有趣，并且可以了解潜在的噪音源，以改进这些系统的未来迭代。另一个方面是探索量子纠错的概念。”
即使量子计算机实现了它们的潜力，它们也不会取代今天的计算机。“对于某些类型的计算问题，量子计算显然是一种重要的未来技术。质因数分解是量子计算比经典计算更擅长的另一项任务，”D2S的藤村说。“在某种程度上，量子计算将增强一些特定困难问题的经典计算。在更大的范围内，量子计算不会取代经典计算。经典计算更适合于我们需要计算的许多任务。”
今天的量子计算机有所不同，它就像巨大的枝形吊灯。这些系统被安置在一个稀释冰箱，能够屏蔽处理器和其他组件的外部噪音和热量。该装置在10到15毫开尔文之间冷却设备。
图1:IBM的量子系统1系列量子计算机来源:IBM
图2:研究人员在英特尔实验室调整稀释冰箱。来源:英特尔
量子系统由处理器组成，处理器包含量子位。这些量子比特有两种配置，一种是一个量子比特门，另一种是两个量子比特门。假设你有一个16个量子比特的量子处理器。量子比特被排列在一个二维的4x4数组中。前三行(从上到下)可能由一个量子比特门组成。最后一行可能有两个量子比特门。
处理功能是复杂的。在经典计算中，你输入一个数字到计算机中，它计算出函数，并给你一个输出。
假设你有2个问题n数据位。“如果你有n个比特，你就有2个n．这是一个指数级的大数量的状态，而且你一次只能处理一个。所以，这是指数时间或指数空间，”麻省理工学院(MIT)教授威廉·奥利弗(William Oliver)在视频演示中解释道。“另一方面，量子计算机可以解决这两个问题n不同的分量，同时把它们放到一个叠加态。这就是我们在量子计算机中看到的指数级速度的基础。”
还有其他优势。“为了使量子计算机的能力翻倍，你只需要添加一个量子比特。这是指数。为了让量子计算机在摩尔定律方面跟上经典计算机，他们只需要每24个月增加一个量子比特，”Moor Insights & Strategy的分析师保罗·史密斯-古德森(Paul Smith-Goodson)说。
这些在理论上都是可行的。阻碍量子计算充分发挥其潜力的有几个主要问题。首先，根据IBM的说法，由于噪声，量子比特通常会在100微秒内失去它们的属性。
这就是为什么量子位必须在极冷的环境中工作。“量子比特对环境极其敏感，”FormFactor的Leong说。“在非常冷或低温的环境中使量子比特环境安静下来是至关重要的。”
此外，噪声会在量子比特中引起误差。所以量子计算机需要纠错。最重要的是，该行业需要扩大拥有数千个量子比特的量子计算机。远不及这个数字。
总而言之，量子计算需要一些突破。“我们需要制造出比现在更好的量子比特。这是整个领域的情况。”“对我来说，最大的挑战是如何将它们连接起来。每个量子比特都需要自己的导线和控制盒。当你有50或60个量子比特时，这种方法很有效。当你有一百万个这样的人时，就不太管用了。”
制造具有良好产量的量子比特也至关重要。上的创新还有一些人正在围绕这项技术开发计量流程。
Onto高级副总裁凯文·海德里希(Kevin Heidrich)说:“目前，我们已经对一些晶圆或优惠券进行了测量。”“量子中大多数基础技术背后的关键是利用为经典计算开发的制造技术。然而，许多人正在调整设备、设计和集成，以实现量子/量子位设备。我们的主要工作是使精确和有特征的设备能够实现各种形式的量子计算，如光子或自旋量子比特。我们的重点是提供计量解决方案，使我们的开发合作伙伴能够最好地表征他们的早期设备，包括精确的侧壁控制、材料厚度和界面质量。”
超导量子比特
根据《量子计算报告》，目前有98家组织在研究量子计算机和/或量子比特。公司正在开发不同类型的量子比特，包括离子阱、中性原子、光子学、硅自旋、超导和拓扑。每种类型都不同，有一些优点和缺点。现在说哪种技术更先进还为时过早。
“我们真的不知道哪种技术将是建造大型容错机器的正确技术。公司有一个五年的路线图，引导他们有足够的量子比特来做一些有意义的事情，”Moor Insights & Strategy的史密斯-古德森说。“(关于安装基础)，IBM拥有大量的机器。他们有超过20台量子计算机，没有人能与之匹敌。它们周围有一个庞大的生态系统。他们与很多大学和公司合作。”
到目前为止，超导量子比特取得了最大的进展。在这一领域，D-Wave因使用量子退火技术(一种解决优化问题的技术)而受到关注。例如，如果你有很多组合的问题，量子退火系统会搜索许多可能组合中的最佳组合。至少在某种程度上，这些能力已经得到了证明。
大多数活动都发生在使用超级计算量子位的真正的量子计算机市场。谷歌、IBM、英特尔、MIT、Rigetti、中国科技大学等许多公司都在这里开发产品。
超导量子比特是围绕约瑟夫森结建立的。约瑟夫森结包括一个薄绝缘层，该绝缘层由两个超导金属夹在中间。在工作中，电子配对并穿过结。
2014年，IBM演示了一个3量子比特设备。今天，IBM销售65个量子比特的量子计算机。根据量子计算报告，直到最近，IBM在超导领域的整体量子比特计数方面领先于行业。目前，中国科大以66个量子比特保持着非官方纪录。根据量子计算报告，IBM以65个量子比特紧随其后，谷歌以53个量子比特紧随其后，英特尔(49个)和Rigetti(32个)。
量子比特计数并不是唯一的因素。它们还必须具有相对较长的相干时间和门保真度。“量子比特和量子处理器是量子硬件的核心部分，”IBM的Chow说。“要构建量子计算机或量子计算系统，我们不仅需要量子硬件，还需要控制电子设备、经典计算单元和运行量子计算程序的软件。”
在这方面，IBM提供了开源量子软件开发工具包Qiskit。“我们的目标是让开发者社区广泛参与，建立一个量子生态系统，将量子计算机作为研究和业务的基本工具提供给用户，”Chow说。
该行业还需要拥有数千个量子比特的系统，但供应商在这方面还有很长的路要走。然而，研究结果仍然很有希望。2019年，谷歌的53量子比特处理器“Sycamore”在200秒内完成了一次计算。谷歌声称超级计算机需要大约一万年才能完成同样的任务。
然后，在2021年6月，中国科大发表了一篇关于66量子比特超导量子处理器祖冲之的论文。在一次计算中，中国科大使用了56个量子比特。它执行任务的速度比谷歌的53量子比特处理器快2到3倍。中国科技大学教授潘建伟在一篇论文中表示:“我们预计，在不久的将来，这种大规模、高性能的量子处理器可以使我们在经典计算机之外寻求有价值的量子应用。”其他人对这项工作做出了贡献。
中国和其他国家的结果还有待商榷。许多人不使用任何基准来报告他们的结果，包括量子体积，这是一个表达量子计算机有效性的指标。“这一切都不依赖于量子比特。我们不知道这些系统中有多少能运行。如果你没有纠错功能，达到一定程度，你可以添加所有你想要的量子位，它永远不会更强大，”Moor Insights & Strategy的史密斯-古德森说。
与此同时，除了中国科大的处理器，超导量子比特还有其他的发展:
离子陷阱
离子阱量子比特是另一种很有前途的技术。在离子阱中，原子是量子处理器的核心。该技术的开发商IonQ表示，原子被捕获，然后激光完成从初始准备到最终读出的所有工作。
根据量子计算报告，在离子阱领域，IonQ以32个量子比特领先，AQT(24个)、Honeywell(10个)等紧随其后。
在研发方面，桑迪亚国家实验室正在开发QSCOUT，这是一种基于离子阱量子比特的量子计算机测试平台。QSCOUT是一个3量子比特系统。Sandia计划逐步将该系统扩展到32个量子比特。
通过QSCOUT, Sandia为最终用户提供了一个开放访问的程序。“用户不仅可以指定他们想要应用哪些门(每个电路由许多门组成)以及何时应用，而且还可以指定门本身如何实现，因为有许多方法可以实现相同的结果。这些工具允许用户深入了解量子计算机在实践中是如何工作的，帮助我们找到构建更好的量子计算机的最佳方法，”物理学家、桑迪亚QSCOUT负责人苏珊·克拉克(Susan Clark)说。
克拉克说:“因为我们是一个测试平台系统，所以在我们机器上运行的代码是由用户生成的，他们对自己想在量子计算机上运行什么有很多想法。”“32个量子比特仍然足够小，可以在经典计算机上完全模拟，所以重点不是做经典计算机不能做的事情。构建小型系统的主要原因是:1)研究如何将问题映射到量子计算机上，从而在未来的大型系统上获得最佳性能(量子化学，量子系统模拟)，2)学习使量子计算机更好地运行的技术，从而可以应用于更大的机器。”
就像超导量子比特市场一样，离子阱也出现了一波活动。例如，霍尼韦尔正在剥离其量子计算部门，并将其与剑桥量子计算合并。霍尼韦尔还展示了实时纠正量子错误的能力。
与此同时，IonQ的客户可以通过谷歌的云服务购买其量子计算机的访问权。
硅量子比特
硅自旋量子比特也很有前途。Leti、Intel、Imec和其他公司正在研究这项技术。根据量子计算报告，英特尔似乎以26个量子比特领先。
“我们正在做的是制造单电子晶体管，”英特尔的克拉克说。“我们正在制造一个通道中只有一个电子的晶体管。这个电子可以自旋向上，也可以自旋向下。向上或向下的自旋代表了0和1。”
诀窍是使电子进入叠加态。“当你有一个自旋时，它就是一个量子比特，”克拉克说。“如果你有两个电子彼此靠近，或者有两个自旋量子比特，那么你就可以开始执行操作。你可以开始使用量子纠缠。”
硅自旋量子比特有一些优势。“英特尔的自旋量子比特比其他一些量子比特技术小一百万倍，”克拉克说。“我们将需要10万到100万。当我想象未来的量子芯片会是什么样子时，它看起来就像我们的处理器一样。”
此外，自旋量子比特利用了半导体晶圆厂中使用的一些相同的过程和工具。这些过程不涉及前沿节点。克拉克说:“我们的很多创新更多地来自我们使用的材料，而不是图案能力。”
图3:放置在铅笔擦尖上的自旋量子比特芯片来源:Walden Kirsch/Intel
在硅自旋中有一种狂热的活动:
结论
还有其他类型的量子位。“你有光子学。人们正在使用轻粒子，这看起来是一个有前途的领域，”Moor Insights & Strategy的史密斯-古德森说。
但目前还不清楚哪些技术会随着时间的推移而占上风。这个领域的公司也是如此。
也许一个更大的问题是量子计算是否会像炒作的那样。但公司和国家都在这项技术上押下重注。考虑到目前的进展，目前的结果和活动都值得关注。
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