在构建商用量子计算机的竞赛中，离子阱系统正在获得动力。
长期以来被认为是次要的量子计算机制造技术正在卷土重来。过去十年里，量子计算已经从学术研究对象变成了各大公司青睐的项目，所有人的目光都集中在同一个方法上：微型超导线圈。 科技巨头包括IBM和英特尔（Intel）都选择了这个选项。谷歌在 2019 年推出了一款超导计算机，并声称它已经实现了“量子优越性”：首次执行了经典计算机无法完成的计算。但另一种技术正准备通向商用量子计算机：用电场捕获离子。
2020年初，经过十多年的默默研发，科技制造公司霍尼韦尔首次推出了采用离子阱作为量子位（qubit）基础的量子计算机。总部位于美国北卡罗来纳州的霍尼韦尔是全球第一家尝试这条路线的公司。十月，在其成功开发七个月后，霍尼韦尔展示了该计算机的升级版本，并计划对其进行扩展。
不久前，马里兰大学的衍生公司IonQ宣布推出一款离子阱计算机，可能达到IBM和谷歌计算机的水平，但IonQ尚未透露其计算能力的详细信息。英国的 Universal Quantum 和奥地利的 Alpine Quantum Technologies 等规模较小的初创公司也在为离子阱项目吸引资金。
离子阱量子计算机并不是新技术：1995 年第一个基本量子线圈中的量子位就是基于这项技术，该技术比超导线圈早得多。但将其组装成一个可行的商业系统“似乎现在才刚刚开始爆炸”，美国国家标准与技术研究院 (NIST) 的量子物理学家 Daniel Slichter 表示。
马里兰大学物理学家克里斯·门罗表示：“现在人们在同一句话中同时提到‘超导’和‘离子陷阱’，即使是五年前，也没有人会这么说。”他参与了1995年的实验，也是IonQ的创始人之一。量子计算仍处于起步阶段，虽然各大公司都在竞相声称自己的量子计算机是最先进的（请参阅“谁是最好的？”），但关于哪种硬件最终获胜的争论是还开着。现在还为时过早，而且最终可能不会出现压倒性胜利。大公司使用的技术的多样性使得量子计算的领域比以前更广泛。
大规模计算
经典计算机使用1和0来存储信息，而量子位则处于1和0的某种微妙的纠缠状态。通过量子现象和量子纠缠，多个量子位的状态可以相互关联。由于量子位的量子态可以经历波型干扰，因此量子计算机可以比最好的经典计算机以指数速度更快地执行某些大规模计算。一个应用是质因数分解。
任何具有两种可能的量子态的系统（例如超导线圈中的振荡或离子的能级）都可以构成一个量子位，但所有硬件实现都有其优点和缺点，并且很难构成完整的量子计算机。未来将会出现一些根本性问题。以质因数分解为例，一台能够实现量子计算预期优势的计算机需要数百万个可以单独操作的量子位。数量并不是唯一的问题：量子位的质量与量子位的连接方式同样重要。
微妙的量子位及其操作可能会因噪声而导致错误。连接的量子位越多，出错的概率就越大。如果您希望数百万个量子位一起计算，那么每个量子位的错误率必须足够小，以便检测并通过“纠错”过程进行修复。然而，物理学家也希望带有一些噪声的较小系统在不久的将来能够实用。
谁的最强？
各大实验室长期以来一直在竞争，看谁能建造出拥有最多量子比特的量子计算机。但赫尔辛基大学量子物理学家萨布丽娜·马尼斯卡尔科表示，竞争谁的计算机“最强大”意义不大。 “衡量绩效的标准有很多。”
2020年6月，美国科技公司霍尼韦尔声称打造出了全球“量子体积”中最强大的量子计算机。这考虑到了系统的量子比特数、连通性、噪声和错误率，这也反映了计算机能够处理的复杂问题的程度。这台计算机的量子体积为64，是IBM当时最强大的计算机的两倍。马尼斯卡尔科说，量子体积比纯量子比特数更好，但它仍然是一个粗略的衡量标准。
美国国家科学研究院计算机科学部门负责人玛格丽特·马托诺西 (Margaret Martonosi) 表示，头对头比较是比较计算机相对强度的另一种方法，但它们并不总是有效，因为计算机的性能取决于问题本身基础。解释。如果您不知道关键功能如何随着规模的扩大而变化，那么您的原型的性能将无法反映完整计算机的功能。
加州计算机科学家道格·芬克表示，无论使用哪种指标，公司都应该谨慎对待自己的广告内容。他运营着一个名为 Quantum Computing Report 的网站，该网站跟踪行业新闻。他说，霍尼韦尔声称其计算机是最强大的还为时过早，因为使用量子体积的开发人员并不多。另外，就在10月份，与马里兰大学合作的IonQ首次正式使用这个标准，他们表示最新的计算机预计量子量将达到400万。如果证据确凿，这将打破霍尼韦尔的记录。
衡量量子计算机能力的另一个标准是它是否能够在特定问题上击败经典计算机——谷歌在 2019 年通过 54 量子位计算机实现了这一壮举。对于芬克来说，在具有商业价值的问题上实现这种“量子优越性”是“评估量子计算机成功与否的真正标准”。
有优点也有缺点
在过去的几年里，超导线圈技术突飞猛进，几乎将离子阱技术推向过时。 Google 和 IBM 等公司已开发出具有约 50 个高质量量子位的计算机。 IBM的目标是到2023年拥有1000个量子比特的计算机。加州大学圣巴巴拉分校的量子物理学家约翰·马蒂尼斯(John Martinis)在2020年4月之前一直担任谷歌量子硬件部门的负责人，他认为谷歌将继续使用基础计算机实现量子优越性的架构以完成下一个里程碑：量子校正。
到目前为止，超导量子位的优势在于它们为许多公司所熟悉，因为它们的基本组件与经典的芯片技术兼容。但赫尔辛基大学的萨布丽娜·马尼斯卡尔科 (Sabrina Maniscalco) 表示，离子陷阱量子位（通过捕获在电场中的单个带电原子的能级来存储信息）具有许多固有的优势。它们的操作不太容易出错，而且单个离子的量子态比超导量子位的持续时间更长。毕竟，无论超导线圈有多小，它仍然是由许多原子组成的。此外，超导量子位往往只与最近的邻居相互作用，而离子陷阱可以与许多其他离子相互作用，从而更容易执行复杂的计算，她说。
但离子陷阱也有其问题：离子之间的相互作用比超导量子位慢，这对处理系统中产生的实时错误有很大影响，美国量子软件公司图灵创始人米歇尔·赖利（Michele Reilly）说。此外，离子阱中可容纳的离子数量以及相互关联的离子数量也存在上限。 IonQ的最新模型包含32个排列成链的离子；用激光挑出其中任意两个就可以使它们相互关联。为了扩展到数百个量子位，IonQ 正在尝试使用光子连接其中几个离子链。 IonQ 的目标是每年将量子比特数量增加一倍。
与此同时，霍尼韦尔的计划是让离子穿过巨大的芯片，以便所有离子都相互关联——这是 NIST 在 20 世纪 90 年代首次提出的想法。霍尼韦尔量子解决方案 (HQS) 部门的最新系统名为 H1，仅包含 10 个量子位，但该部门首席科学家 Patty Lee 表示，该公司正在构建下一个版本。 HQS 总裁托尼·乌特利 (Tony Uttley) 表示，未来五年，该团队的计划是连接约 20 个量子位，这应该足以让他们的计算机解决一些经典计算机无法解决的问题。
主要挑战是同时控制数十个甚至数百个量子位，同时保证质量和精度——霍尼韦尔和 IonQ 尚未证明他们可以做到这一点。虽然许多必要的组件已经存在，但“它仍然需要在系统级别进行集成：组装、测试和问题解决”，荷兰代尔夫特理工大学的理论物理学家 Barbara Terhal 说。
胜者尚未决出
离子阱计算机并不是唯一吸引大量投资的技术。斯利希特说，超导量子位的成功为许多技术打开了大门。这包括基于硅的自旋量子位，它利用嵌入硅晶体中的原子的核自旋态来存储量子信息。为了尝试这项技术，马蒂尼斯于九月份休了六个月的学术休假，加入了澳大利亚的硅量子计算公司——这是他近二十年来首次尝试超导系统以外的技术。马蒂尼斯并不介意哪种技术最终获胜。 “我希望为第一台量子计算机的建造做出贡献，但这并不要求它由我或我的公司建造，”他说。
马尼斯卡尔科说，这场比赛还远未宣布胜利，获胜者可能永远不会确定。 “可能不是一个平台获胜，可能存在一些技术融合，或者不同的平台解决不同的问题。”
责任编辑：tzh
