量子计算简介

量子计算是物理学和计算机科学交叉领域的革命性领域，它将解决目前即使是最强大的传统计算机也无法解决的问题，以量子技术重塑我们的世界。

与将信息存储为代表 0 或 1 的位的传统电子计算机不同，量子计算机是利用量子位。

根据量子力学原理，量子比特可以同时表示 0、1 或两种状态的叠加。

这与另一种称为纠缠的量子现象相结合，使得量子计算机能够并行执行大量计算，为特定类型的问题提供指数级的加速。

量子计算的前景非常广阔，其应用范围的潜力将包括：

• 药物发现和材料科学（通过以前所未有的精度模拟分子）
• 财务建模（优化投资组合和风险评估）
• 密码学（打破现有的加密标准并实现新的安全通信方法）
• 人工智能（增强机器学习算法）
• 物流与优化（解决复杂的路线和调度问题）
• 通用优化（涵盖各处的一大类系统）
• 还有许多其他目前尚不为人所知但随着研究的加速而出现的东西。

现今，人们正在探索量子计算的各种物理实现或技术架构。

以下探讨的每个量子系统都有其独特的优势和劣势，并且都有一个专门的研究人员以及公司社区致力于构建容错的大规模量子机器。

探索量子领域：领先架构概览

探索量子计算

对容错量子计算机的追求引发了对众多物理系统的探索。下面，我们将逐个了解使用最突出的量子计算方法：

1.超导量子比特

物理组件：

• 超导量子位通常由铌或铝等超导材料制成，并在硅或蓝宝石基板上形成图案。
• 它们通常涉及“约瑟夫森结”，即两个超导体之间的薄绝缘屏障，形成非线性电感器，使量子位具有不同的能级。
• 这些电路在稀释制冷机中冷却至毫开尔文温度，以保持其超导状态并最大限度地减少热噪声。
  
  

工作原理

• 量子比特状态（0、1和叠加态）由超导电路的不同能级表示。
• 微波脉冲被精确地应用于控制单个量子位（单量子位门）的状态并将它们与相邻的量子位（双量子位门）纠缠在一起。
• 量子比特状态的读出通常是通过将量子比特耦合到谐振器并测量谐振器特性的变化来实现的。

机会：

• 可扩展性：利用成熟的半导体制造技术，可以制造出具有大量量子位的芯片。
• 快速门速：微波脉冲可以实现相对较快的量子操作，通常在纳秒范围内。
• 高保真度：在实现高保真度单量子比特和双量子比特门方面取得了重大进展。

挑战：

• 退相干：量子比特对环境噪声（例如电磁场、温度波动）极为敏感，导致量子信息的丢失（退相干）。
• 连接性：实现芯片上所有量子位之间的高连接性可能具有挑战性，有时会限制量子算法的效率。
• 低温学：超低温的要求需要复杂且昂贵的低温基础设施。
• 制造变异性：制造过程中的细微变化都可能导致量子比特属性的差异，需要仔细校准。

当今世界涉及量子计算的公司有哪些？我们来挨个看一下。

• 谷歌量子人工智能：
• 2019 年，这家公司利用 53 量子比特 Sycamore 处理器展示了“量子霸权”，执行特定任务的速度比当时最强大的传统超级计算机还要快。
• 发表了关于量子纠错的研究，包括展示通过增加量子比特的数量来减少错误的能力。
• 不断致力于开发具有更高一致性和连接性的更强大的处理器。
• IBM Quantum：
• 提供对量子处理器群的云访问，允许研究人员和开发人员试验量子算法。
• 拥有扩展其处理器的路线图，其中芯片超过 1,000 个量子比特（例如 Condor）并计划打造更大的系统。
• 专注于构建完整的量子计算堆栈，从硬件到软件和社区建设。
• 发布了 1,121 量子比特 Condor 处理器和 133 量子比特 Heron 处理器，错误率显著降低。
• Rigetti计算：
• 开发超导量子处理器并提供云访问。
• 采用多芯片架构来扩展其系统。
• 致力于提高门保真度和量子比特相干性。
• 宣布推出 84 量子比特 Ankaa-2 系统。
• Quantinuum（合并了霍尼韦尔量子解决方案和剑桥量子）：
• 虽然 Quantinuum 的主要重点是离子捕获技术，但霍尼韦尔之前曾对超导量子比特进行过研究。
• 合并后的实体利用不同量子技术的专业知识。
• 阿里巴巴量子实验室：
• 一直在开发超导量子处理器并探索量子应用。

以下是这些公司可能发布出量子计算机的时间表：

• 1-3年：
• 量子比特质量（相干时间、门保真度）不断提高，开发具有几百到几千个物理量子比特的处理器。
• 专注于展示针对特定、明确定义的问题的量子优势。
• 增强量子纠错实验。
• 3-5年：
• 早期容错量子位的出现，表明逻辑量子位的寿命显著提高。
• 具有数千个物理量子位的处理器可以实现更复杂的算法和纠错码。
• 探索更广泛的应用和开发更复杂的量子软件。
• 5-10年：
• 小型容错量子计算机具有解决特定领域中传统计算机无法解决的问题的潜力。
• 进一步扩大量子比特数量并改进连接性和控制性。
• 开发更成熟的量子计算生态系统，包括软件工具和算法。

对量子计算的未来展望

• 超导量子比特是目前最领先且资金最充足的方法之一。
• 来自主要科技公司的强力支持和现有半导体制造专业知识的利用为持续进步提供了坚实的基础。
• 主要挑战仍然是通过有效对抗退相干和实施强大的量子误差校正来实现容错。
• 谷歌和 IBM 等公司正在积极追求这一目标，他们的路线图表明未来十年将取得重大进展。
• 未来可能会继续竞相追求更高的量子比特数、更低的错误率以及展示实际的量子优势。
• 成功取决于克服重大的物理和工程障碍，特别是在材料科学和大规模系统集成领域。

捕获离子量子计算

捕获离子量子比特技术

物理组件：

• 捕获离子量子比特由带电并使用电磁场限制的单个原子（离子）组成。
• 这些离子通常被保存在称为离子阱的装置内的真空室内，该装置可以是线性“保罗阱”或“彭宁阱”。
• 激光用于冷却离子、初始化其量子态、执行量子门操作以及读出最终状态。

工作原理

• 量子态（0 和 1）由每个捕获离子内的稳定或亚稳态电子能级表示。
• 激光经过精确调节，可以引发这些能级之间的跃迁，从而实现单量子位旋转。
• 双量子比特门通常通过使用激光通过陷阱中的集体运动（声子）耦合两个离子的内部电子态来实现。
• 通过照射激光使某一状态的离子发出荧光（发光），从而读出每个离子的最终状态，然后可以通过灵敏的相机或光电探测器检测到。

机会：

• 长相干时间：
• 离子在真空中与环境很好地隔离，从而导致非常长的相干时间，通常比其他量子比特模式长几个数量级。
• 高门保真度：
• 激光驱动门可以对单量子位和双量子位操作实现非常高的精度。
• 相同的量子位：
• 同一原子种类的所有离子本质上都是相同的，从而消除了制造差异作为误差来源。
• 高连接性：
• 陷阱内的离子可以相互耦合，从而可能实现全对全连接，这对许多量子算法有益。

挑战：

• 门速慢：
• 与超导量子比特等固态系统相比，由声子介导的相互作用和离子的物理运动会导致门操作速度变慢。
• 可扩展性：
• 在单个陷阱中捕获并精确控制大量离子变得越来越困难。
• 人们正在探索涉及在不同的捕获区之间穿梭离子或连接多个捕获区的架构，但这增加了复杂性。
• 激光控制复杂性：
• 需要大量精确控制的激光器来处理单个离子并执行门控，这增加了系统的复杂性和潜在的故障点。
• 保持真空和阱稳定性：
• 高真空环境和稳定的电磁场至关重要，需要复杂的工程技术
  

涉及的技术公司包括如下：

• Quantinuum（它合并了霍尼韦尔量子解决方案和剑桥量子）：
• 开发了量子电荷耦合器件 (QCCD) 架构，允许离子在不同区域之间移动以进行相互作用和读出。
• 实现了单量子比特门和双量子比特门的高保真度。
• 展示了“量子体积”里程碑，这是衡量量子计算机整体能力的指标。
• 发布H系列量子计算机，其中H2处理器量子体积达到65536。
• 专注于开发量子算法和软件，包括量子化学和网络安全。
• 离子Q：
• 开发可通过云平台访问的捕获离子量子计算机。
• 专注于实现高量子比特质量和连接性。
• 报告了较高的平均单量子比特和双量子比特门保真度。
• 宣布了 IonQ Forte 等系统以及未来几代具有更高量子比特数和性能的计划。
• 与多家机构和公司合作探索量子应用。
• 阿尔派量子技术公司（AQT）：
• AQT 总部位于奥地利，致力于开发机架式离子阱量子计算机。
• 专注于为研究和工业提供交钥匙系统。
• 提供对其量子处理器的云访问。
• 通用量子：
• 一家总部位于英国的公司正在开发基于独特模块化方法的离子阱量子计算机，使用硅微芯片连接各个量子计算模块。
• 旨在构建大规模、纠错的量子计算机。

可能发布的时间表

• 1-3年：
• 门速度和保真度不断提高。
• 扩展到具有数十到数百个高连接性的物理量子位的系统。
• 演示更复杂的量子算法和早期纠错协议。
• 3-5年：
• 开发更复杂的类似 QCCD 的架构或光子互连，以扩展到更大的量子比特数量（数百到可能超过一千）。
• 进一步降低错误率并展示逻辑量子位。
• 5-10年：
• 基于捕获离子的容错量子计算机的潜力，能够解决商业相关问题。
• 集成先进的纠错技术并开发更成熟的软件堆栈。
• 继续探索模块化架构以实现大规模扩展。

未来展望

• 捕获离子由于其固有的高量子比特质量和长的相干时间而是一个非常有前景的平台。
• 主要挑战在于将系统扩展到数千和数百万个量子比特，同时保持性能并解决较慢的门速度问题。
• Quantinuum 和 IonQ 等公司在开发模块化和可扩展架构方面取得了重大进展。
• QCCD 方法和集成光子互连的努力是克服缩放限制的关键。
• 如果能够克服这些工程挑战，捕获离子就很有可能实现容错量子计算。
• 重点将放在提高门速度、展示强大的错误校正以及开发复杂离子阱的可扩展制造技术上。

光子量子计算

光子量子比特

物理组件

• 光子量子比特使用单个光子作为量子信息的载体。
• 量子位可以用光子的各种特性进行编码，例如它们的偏振、路径或时间箱。
• 关键组件包括单光子源（例如量子点、自发参量下转换）、线性光学元件（例如分束器、移相器、镜子）和单光子探测器。

工作原理

• 单量子比特门是通过将光子穿过波片或移相器等光学元件来实现的。
• 在纯线性光学中，双量子比特门更具挑战性，并且通常依赖于测量引起的非线性。
• 这通常涉及辅助光子、干涉仪和预示门成功运行的测量。
• 当光子穿过这些光学元件的网络时，量子信息就会被处理。
• 通过检测光子及其特性（例如偏振）来执行读出。

机会

• 室温操作（针对某些方面）：
• 光子对热退相干具有很强的抵抗力，使得系统的某些部分可以在室温下运行，尽管光源和探测器可能需要冷却。
• 低退相干：
• 光子与环境的相互作用较弱，导致传播过程中的相干时间较长。
• 与现有光纤基础设施集成：
• 利用现有电信技术实现量子计算机联网的潜力。
• 通过多路复用实现可扩展性：
• 以不同光自由度（例如时间、频率）编码信息的能力为多路复用和增加量子比特密度提供了途径。

挑战

• 概率门操作：
• 基于线性光学和测量的纠缠门通常是概率性的，这意味着它们不会每次都成功。
• 这需要预告并可能需要多次尝试，从而减慢计算速度。
• 光子损失：
• 光子可能会在光学元件中或传输过程中丢失，这是一个严重的错误来源。
• 高效单光子源和探测器：
• 高效、高纯度、按需地产生和检测单光子在技术上具有挑战性。
• 构建大型、稳定的干涉仪：
• 构建和维持许多量子位所需的复杂光学装置的稳定性非常困难。
• 缺乏直接的光子-光子相互作用：
• 光子不会自然地相互作用，如果不借助测量引起的非线性或强非线性材料（仍在开发中），就很难实现确定性的双量子比特门。
  

涉及的技术公司包括如下：

• PsiQuantum：
• 一家资金雄厚的公司正在研究基于融合量子计算（FBQC）的光子方法，该方法利用测量来创建小资源状态之间的纠缠。
• 旨在利用现有的制造光子芯片的半导体制造工艺，构建一台百万量子比特容错量子计算机。
• 主要以隐身模式运行，但已发表了一些关于其架构和纠错的研究。
• 与 GlobalFoundries 合作生产光子芯片。
• 上都（Xanadu）：
• 开发可通过其云平台（Xanadu Quantum Cloud）和开源软件（PennyLane、Strawberry Fields）访问的光子量子计算机。
• 使用光的压缩态（一种连续变量量子计算）和光子数分辨探测器。
• 已经利用其Borealis和X系列芯片在特定的采样任务上展示了“量子计算优势”。
• 专注于可编程和可扩展的光子架构。
• ORCA计算：
• 一家英国公司采用基于量子存储和多路复用的独特方法开发光子量子计算机。
• 旨在通过存储和重用光子来克服光子丢失和概率门的挑战。
• 向英国国防部交付了一套系统。
• QuiX Quantum：
• 一家专门研究基于氮化硅（SiN）波导的光子量子处理器的荷兰公司。
• 专注于为量子信息处理和模拟提供低损耗、高性能的光子处理器。
• 提供现成的光子处理器。
• NTT（日本电报电话公司）：
• 在光学技术方面有着长期的研究历史，并一直在探索光子量子计算，包括基于测量的方法。
• 开发全光量子中继器和网络技术。

可能发布的时间表：

• 1-3年：
• 单光子源和探测器的效率不断提高。
• 开发更大、更复杂的集成光子电路。
• 在小型光子处理器上演示更复杂的量子算法。
• 在减少光子损失和提高栅极保真度方面取得进一步进展。
• 3-5年：
• 具有数百至几千个物理量子比特（或连续变量方法中的等效量子比特）的光子系统的潜力。
• 演示针对光子系统定制的更先进的纠错技术（例如，对光子损失具有弹性的代码）。
• 5-10年：
• PsiQuantum 等公司的目标是利用半导体制造技术，在此时间范围内实现具有大量量子比特（接近一百万）的容错系统。
• 成功取决于克服与损耗、门确定性和组件效率相关的重大工程和物理挑战。
• 基于光子链路的量子网络的发展。

未来展望

• 光子量子计算由于其在室温下操作（部分）的潜力以及利用现有制造技术的潜力而提供了一条有吸引力的途径。
• 主要障碍是某些门方案的概率性质和光子损失。
• 然而，基于测量的量子计算和更好的组件的开发等创新方法正在解决这些问题。
• PsiQuantum 等公司正通过与大型半导体代工厂合作，雄心勃勃地拓展这项技术。
• Xanadu 还通过其连续变量方法和云平台不断突破界限。
• 如果能够有效地应对构建确定性门和最小化光子损失的挑战，光子学可以为量子计算提供高度可扩展和可联网的平台。
• 大规模生产光子芯片的能力是一个显著的优势。

中性原子量子比

物理组件：

• 中性原子量子比特使用单个中性原子（例如，铷、锶、镱）作为量子比特。
• 这些原子被利用被称为光镊或光晶格的紧密聚焦激光束阵列捕获在真空室中。
• 激光还用于冷却原子、初始化其状态、执行量子门（通常通过将原子激发到里德堡状态）以及读出量子比特状态。

工作原理

• 量子比特状态通常由中性原子的两个不同的超精细基态或基态和高度激发的里德堡态表示。
• 单量子比特门是通过将共振激光脉冲施加到单个原子来实现的。
• 双量子比特门通常通过将两个相邻的原子激发到里德堡态来实现。
• 在里德堡状态下，原子的电子远离原子核，这使得原子变得更大，并能够与其他里德堡原子发生强烈的长程相互作用（里德堡阻塞）。
• 这种阻塞效应可用于实现受控 Z 门或 CNOT 门。
• 读出通常通过状态选择性荧光完成，类似于捕获离子。

机会

• 相同的量子位：
• 与离子一样，同一物种的所有原子都是相同的。
• 可扩展至大量量子比特：
• 光镊阵列可以缩放以在二维和三维配置中捕获数百甚至数千个原子。
• 强大、可控的互动：
• 里德堡相互作用为双量子比特门提供了强大且可切换的长程相互作用。
• 可重构几何形状：
• 光镊阵列中原子的位置通常可以动态重新配置，从而实现灵活的量子比特连接。

挑战

• 原子负载和空位：

• 将原子装入光镊是一个概率过程，导致阵列中需要填充的初始空位，这会减慢实验周期时间。

• 里德伯态寿命和退相干：

• 虽然里德堡相互作用很强，但里德堡态本身的寿命有限，并且对杂散电场和黑体辐射敏感。

• 激光寻址和控制：

• 利用激光精确寻址和控制密集阵列中的单个原子需要复杂的光学系统。

• 保持真空：

• 与捕获离子类似，需要高真空环境
  

中性原子量子计算涉及的技术公司包括如下：

• Pasqal（与 QuEra Computing 合并）：
• 开发用于计算和模拟的中性原子量子处理器。
• 已经演示了具有数百个量子比特的系统。
• 专注于优化、机器学习和量子模拟中的应用。
• 合并前，QuEra 演示了一个 256 量子比特的可编程量子模拟器，并发表了解决优化问题的成果。Pasqal 已向研究机构交付了相关系统。
• 合并后的实体的目标是在短期内交付一台 1000 量子比特的量子计算机，并在 5 年内交付一个容错系统。
• 原子计算：
• 利用光学捕获原子阵列开发中性原子量子计算机。
• 宣布推出 100 量子比特系统（Phoenix），并使用碱土原子中的核自旋量子比特证明了相干时间超过 40 秒。
• 专注于实现长相干时间和扩展量子比特数。
• 最近宣布了一个拥有 1,225 个位点的原子阵列，其中 1,180 个由量子比特填充，这是其路线图中的重要一步。
• ColdQuanta（现为Infleqtion）：
• 开发一系列基于冷原子和超冷原子的量子技术，包括量子计算、传感器和信号处理。
• 提供可通过云访问的中性原子量子计算机（希尔伯特）。
• 专注于基于门的量子计算和使用中性原子的量子模拟。
• 开发广泛的量子设备和应用。

可能发布的时间表

• 1-3年：
• 具有几百到几千个物理量子比特的系统。
• 门保真度不断提高，特别是双量子比特里德伯门。
• 在特定的模拟和优化问题上展示量子优势。
• 开发更复杂的大型阵列控制和读出技术。
• 3-5年：
• 扩展到数千个量子比特。
• 实现量子纠错码取得重大进展。
• 探索 3D 原子阵列以实现更高的量子位密度和连接性。
• 5-10年：
• 基于中性原子的早期容错系统的潜力。
• 进一步提高连贯性、门速度和整体系统可靠性。
• 更广泛地应用于科学研究和专业工业应用。

未来展望

• 中性原子量子比特已经成为一个快速发展的平台，它提供了对大量相同量子比特的可扩展性和强大、可控的相互作用的引人注目的组合。
• 动态重新配置量子位布局的能力也是一个显著的优势。
• 主要挑战包括提高门保真度（尤其是里德堡门）、管理原子阵列中的空位以及延长相干时间，特别是对于里德堡态。
• 合并后的 Pasqal/QuEra、Atom Computing 和 Infleqtion 等公司正在不断突破这项技术的界限。
• 原子计算最近利用核自旋证明了非常长的相干时间，这是一个有希望的进展。
• 如果里德堡门保真度能够持续提高，并且能够有效地实施纠错，中性原子就可能成为构建大规模、容错量子计算机的主要竞争者，尤其适合量子模拟和优化任务。

硅自旋量子比特（量子点）

物理组件：

• 硅自旋量子比特利用被称为量子点的半导体纳米结构中单个电子或电子空穴的自旋（一种固有的量子力学特性）。
• 这些量子点通常采用与制造传统 CMOS 晶体管类似的技术，在硅或硅锗 (Si/SiGe) 异质结构中制造。
• 半导体顶部的金属栅极用于限制电子并控制其能级和相互作用。

工作原理

• 电子或空穴的两种自旋状态（自旋向上和自旋向下）代表量子比特状态 0 和 1。
• 单量子比特门是通过施加微波脉冲与自旋频率产生共振来实现的，该自旋频率可以通过外部磁场或局部电场进行调整（利用自旋轨道耦合或 g 因子调制）。
• 双量子比特门通常是通过暂时降低相邻量子点之间的势垒来实现的，从而使电子的波函数重叠并通过交换相互作用进行相互作用。
• 读出通常使用自旋到电荷的转换来执行，其中电子的自旋状态与它是否可以从点中隧穿出来相关，然后由附近的电荷传感器检测到。

机会

• 利用CMOS制造：
• 最大的优势是有可能利用成熟且极其先进的硅 CMOS 制造基础设施，从而实现大规模的可扩展性和集成。
• 小量子比特尺寸：
• 量子点非常小，可以在芯片上实现高量子位密度。
• 良好的相干性（在富集硅中）：
• 硅中的电子自旋可以具有较长的相干时间，尤其是在使用同位素纯化的硅（28Si）来减少核自旋的磁噪声时。

挑战：

• 制造差异性：
• 量子点特性对其尺寸、形状和局部静电环境的微小变化极为敏感。
• 这种“无序”使得产生大量相同且可控的量子比特阵列变得十分困难。
• 连接性（串扰）：
• 虽然量子位可以放置得靠近，但实现远距离量子位之间的高保真度、可控的相互作用却很困难。
• 对于大型阵列来说，布线和控制信号密度也变得具有挑战性。
• 电荷噪声：
• 周围半导体材料的波动会影响量子点的静电势，导致退相干。
• 工作温度：
• 虽然硅自旋量子比特可能比超导量子比特更高，但它通常仍需要低温（开尔文或亚开尔文范围）才能实现最佳运行。
• 复杂的控制电子设备：
• 每个量子位需要多个栅极电压进行精确控制，从而导致复杂的控制接口
  

量子点量子计算涉及的技术公司如下：

• 英特尔：
• 利用其先进的半导体制造能力来开发硅自旋量子比特。
• 已经生产了12量子比特和多量子比特芯片（例如Tunnel Falls）。
• 专注于利用工业制造工艺提高量子比特的均匀性、产量和整体性能。
• 发表了关于在较高温度（约 1 开尔文）下操作自旋量子比特的研究。
• CEA-Leti（与CNRS合作）：
• 一家拥有强大半导体制造能力的法国研究机构，正在积极开发硅自旋量子比特。
• 专注于 CMOS 兼容设计并展示了多量子比特设备。
• imec：
• 纳米电子学和数字技术领域的领先研究中心，与学术界和工业界合作伙伴合作开发硅自旋量子比特。
• 专注于利用先进的半导体处理来实现量子比特的制造和可扩展性。
• 量子运动：
• 一家总部位于英国的公司，致力于开发硅自旋量子比特，专注于工业规模制造。
• 旨在使用 CMOS 兼容方法创建容错量子计算机。
• SEEQC（主要研究超导，但也探索了混合方法）：
• SEEQC 专注于将经典控制电子技术与超导量子比特相结合，但更广泛的硅基量子计算领域与它们的集成目标相关。
• 弓箭手材料：
• 一家澳大利亚公司正在开发室温硅量子比特技术（12CQ芯片），这是更广泛的硅基类别中的一种独特方法。
• 他们的方法旨在在室温下进行操作，如果成功的话，这将是一个显著的区别因素。

可能发布的时间表

• 1-3年：
• 通过先进的制造技术不断提高量子比特的均匀性和产量。
• 演示小阵列（数十个量子比特）中更高保真度的单量子比特和双量子比特门。
• 将控制电子设备更紧密地集成到量子位方面取得了进展。
• 3-5年：
• 开发具有数百个自旋量子比特的芯片。
• 基本错误纠正协议的演示。
• 通过材料工程（例如，广泛使用浓缩硅）进一步改善相干时间。
• 5-10年：
• 利用 CMOS 缩放，系统有可能拥有数千到数万个自旋量子比特。
• 在克服制造差异性和实现更高工作温度方面取得了重大进展。
• 如果成功，这种方法可以实现集成量子处理器和共同封装的经典控制，为大规模容错系统铺平道路。

未来展望

• 由于与现有 CMOS 制造兼容，硅自旋量子比特具有极高的长期吸引力。
• 这为扩展到容错量子计算所需的数百万量子位提供了无与伦比的潜力。
• 然而，制造变异性（“无序性”）的挑战是一个需要克服的主要障碍。
• 在提高材料质量（例如硅的同位素纯化）和开发更复杂的制造和控制技术方面正在取得重大进展。
• 英特尔等公司投入巨资，其制造专业知识是一项关键资产。
• 如果能够解决均匀性和产量问题，并且可以在大型阵列中可靠地展示高保真门，那么硅自旋量子比特可能因其固有的可扩展性而成为主导架构。
• 未来十年对于确定这一承诺是否能够实现至关重要。

金刚石氮空位（NV）中心计算

物理组件

• 金刚石 NV 中心量子比特利用金刚石晶格中的点缺陷，其中氮原子取代碳原子，并且相邻的晶格位置是空的。
• NV中心具有电子自旋，可以用作量子比特。辅助核自旋（例如来自氮原子本身或附近碳-13原子的自旋）也可以用作额外的、更稳定的量子比特或量子存储器。
• 绿色激光器用于通过自旋相关荧光初始化和读出电子自旋态。
• 微波场用于控制电子自旋，射频场用于控制核自旋。

工作原理

• NV 中心电子的自旋态（通常是三重态基态内的 ms=0 和 ms=-1 状态）代表量子位。
• 微波脉冲用于电子自旋的单量子位旋转。
• 双量子比特门可以在 NV 电子自旋和附近的核自旋之间实现，或者在两个独立的 NV 中心之间实现，通常通过光学或磁相互作用介导。
• 通过观察绿色激光照射时 NV 中心的荧光强度来读取；NV 中心在 ms=0 状态下发出的荧光比在 ms=-1 状态下更亮。

机会：

• 室温操作：
• 一个显著的优势是，NV 中心可以在室温下作为量子比特运行，电子自旋具有良好的相干时间（微秒），核自旋具有极长的相干时间（秒甚至几分钟）。
• 高灵敏度纳米传感器：
• NV 中心对磁场、电场、温度和应变极为敏感，使其成为纳米级传感应用的绝佳选择，也可用于量子位控制和读出。
• 固态平台：
• 固态系统为集成和设备制造提供了潜力。
• 访问核自旋量子比特：
• 附近的核自旋提供了可以与电子自旋量子比特耦合的强大、长寿命的量子存储器。

挑战：

• 多个 NV 中心的可扩展性和纠缠：
• 虽然单个 NV 中心非常稳健，但有效地纠缠多个空间分离的 NV 中心以构建大规模量子计算机是一项重大挑战。
• 这通常依赖于光学纠缠方案，但效率可能很低。
• 制造和放置控制：
• 在金刚石中创建具有精确位置和一致特性的高质量 NV 中心非常困难。
• 光谱不均匀性：
• NV 中心局部环境的变化会导致其光学和自旋跃迁频率的差异，因此很难用相同的控制场来解决这些问题。
• 光子收集效率低：
• 读出过程中发射的光子的收集效率可能很低，从而影响读出的保真度和速度。
• 有限的双量子比特门保真度（在遥远的 NV 中心之间）：
• 实现不同 NV 中心之间的高保真度纠缠，尤其是远距离纠缠，仍然是一个重大障碍。
  

金刚石氮空位量子计算涉及的技术公司如下：

• 量子钻石技术公司（QDTI）：
• 虽然主要关注 NV 金刚石的传感应用（例如医学成像、材料分析），但其基础物理学和材料科学与量子计算相关。
• Element Six（戴比尔斯集团）：
• 领先的高品质合成金刚石材料供应商，包括专为 NV 中心应用而设计的材料。
• 他们在钻石生长和缺陷工程方面取得的进步对该领域至关重要。
• 各种学术研究团体和小型初创企业：
• NV 中心量子计算的大部分前沿研究仍在大学和规模较小的专业公司中进行。
• 这些小组专注于展示高保真纠缠和小型多量子位寄存器等基本构建模块。
• 例如，哈佛大学、麻省理工学院和代尔夫特理工大学的团队做出了重大贡献。

可能发布的时间表

• 1-3年：
• 继续致力于提高NV中心的质量和纠缠远程NV中心的效率。
• 开发具有高保真控制和读出的小型多量子比特寄存器（几个到几十个量子比特）。
• 基于 NV 的量子传感器和中继器的进步。
• 3-5年：
• 展示更稳健、更具可扩展性的纠缠 NV 中心方法，可能通过改进的光子接口或混合系统实现。
• 基于 NV 中心的小型专用量子处理器或模拟器的开发。
• 5-10年：
• 由于其光学接口和室温操作，NV 中心在分布式量子计算和量子网络中具有出色的潜力。
• 开发 NV 中心充当存储器或传感器组件的混合量子系统。
• 与其他架构相比，纯粹基于 NV 中心的大规模通用量子计算面临着巨大的扩展挑战，但在更大的量子系统中可能实现利基应用或角色。

未来展望

• 金刚石NV中心具有独特的优势，特别是室温操作和相关核自旋的优异相干性，使其在量子传感和量子网络方面极具前景。
• 由于难以扩展远距离 NV 中心之间的纠缠，他们实现大规模通用量子计算的道路更具挑战性。
• 然而，人们正在进行研究以克服这些障碍，例如通过使用光子互连或将 NV 中心与其他量子系统耦合。
• 该领域的公司通常专注于量子计算和传感领域更直接的应用。
• Element Six 作为材料供应商发挥着至关重要的作用。
• NV 中心在计算领域的未来可能在于扮演特殊角色，例如量子互联网中的节点或高度相干的存储元件，而不是作为大规模量子处理器的唯一基础。
• 感知能力已经十分强大，并且还在不断增强。

拓扑量子比特

物理组件

• 拓扑量子计算是一种更具理论性和新兴的方法。
• 拓扑量子比特的物理实现仍然是一个活跃的研究领域。
• 一个突出的候选者涉及创建和操纵马约拉纳零模式 (MZM)，它们是自身的反粒子的准粒子，预计存在于某些一维拓扑超导线的末端或二维拓扑绝缘体/超导体异质结构中。
• 正在探索的物理系统包括在强磁场下涂有超导体（例如铝）的半导体纳米线（例如砷化铟或锑化铟），以及分数量子霍尔系统。

工作原理

• 拓扑量子位以非局部方式编码量子信息，使用系统的集体属性而不是单个粒子的状态。
• 例如，一对分离良好的 MZM 可以定义一个量子位。
• 量子比特的状态（0 或 1）由两个 MZM 的组合费米子宇称决定（无论它们被偶数个还是奇数个电子占据）。
• 量子门将通过在时空中物理编织这些马约拉纳准粒子的世界线来实现。
• 这种编织操作本质上对局部噪声具有鲁棒性，因为信息是非本地存储的。
• 读出将涉及测量组合费米子宇称，例如通过干涉测量实验。

机会：

• 固有容错能力：
• 拓扑量子计算的主要动机是其预测的对局部噪声和退相干的内在鲁棒性。
• 由于量子信息是非局部编码的，因此局部扰动不会轻易破坏量子比特状态。
• 这可以显著减少量子纠错所需的开销。
• 简化的量子纠错：
• 如果物理量子位已经受到高度保护，那么对量子纠错码的要求可能会低得多。

挑战：

• 马约拉纳零模式的确凿实验证据：
• 尽管进行了许多有希望的实验，但要获得普遍接受的、明确的证明，证明适用于量子比特操作的 MZM 的存在和可控操纵，一直极具挑战性，并且是一个持续的科学争论和撤回的主题。
• 制造复杂性：
• 创建预计将承载拓扑量子位的奇异材料系统和纳米结构非常复杂，并且处于材料科学和纳米制造的前沿。
• 控制和编织准粒子：
• 开发精确控制和编织这些准粒子以执行量子门的技术是一项艰巨的实验挑战。
• 读出：
• 开发可靠的方法来初始化和读出拓扑量子位的状态。
  

拓扑量子计算涉及的技术公司包括如下：

• 微软（Azure Quantum/Station Q）：
• 多年来一直是拓扑量子比特方法的主要支持者和投资者，建立了专门的研究实验室（Station Q）。
• 资助了预计将承载马约拉纳零模式的材料系统（例如具有超导体的半导体纳米线）的广泛研究。
• 他们的研究产生了许多科学论文，但一些声称观察到 MZM 的关键结果却面临审查和撤回，凸显了这种方法的巨大难度。
• 微软继续追求这条道路，强调其长期容错的潜力。
• 最近的研究主要集中于新材料平台和马约拉纳模式的替代特征。
• 贝尔实验室（诺基亚贝尔实验室）：
• 在凝聚态物理学领域有着长期的开创性研究，并且还探索了拓扑量子计算的各个方面。
• 各学术研究团体：
• 世界各地的大学对拓扑量子比特进行了大量研究，重点关注基础物理学、材料科学和新颖的设备概念。
• 主要机构包括尼尔斯玻尔研究所（哥本哈根大学）、代尔夫特理工大学（QuTech）、普渡大学等。

可能发布的时间表

• 1-3年：
• 继续深入研究，明确地展示和描述马约拉纳零模式（或其他合适的拓扑准粒子）及其非阿贝尔编织统计数据。
• 专注于提高材料质量和设备制造。
• 3-5年：
• 如果获得了确凿的证据，下一步将是用一对拓扑量子位来演示基本的量子位操作（初始化、简单门的编织、读出）。
• 这将是一个重大突破。
• 5-10年：
• 小型多量子比特系统的开发和预测容错能力的证明。
• 这个时间表具有高度推测性，并且主要取决于近期的根本性突破。
• 如果成功的话，拓扑量子比特在量子比特数量和系统复杂性方面赶上其他架构可能还需要很多年，但它们固有的容错能力可以提供显著的优势。

未来展望

• 拓扑量子计算仍然是一项高风险、高回报的事业。
• 内置容错功能的前景非常诱人，因为它可以避开其他架构面临的许多复杂的纠错挑战。
• 然而，基础物理学仍在建立中，并且对必要成分的确凿实验证明还难以实现。
• 微软一直是主要的工业推动者，对这一长期愿景投入了大量资金。
• 科学界仍然积极参与，探索新材料和实验技术。
• 如果能够克服基础挑战，拓扑量子计算可能会彻底改变该领域。
• 然而，它被广泛认为是领先架构中距离实际实现最远的。
• 未来十年的成功取决于基础科学的突破。
• 即使完全容错的拓扑量子比特需要更长的时间来开发，这项研究也正在突破凝聚态物理学和材料科学的界限，这可能会带来其他发现。
• 这种方法的未来极不确定，但具有变革的潜力。

量子计算的分析与未来预测

量子计算领域是一个充满活力且快速发展的领域，多种充满前景的架构都在竞相实现容错量子计算的梦想。

从相对成熟的超导和捕获离子系统到更新兴的拓扑和金刚石NV中心平台，每种方法都具有独特的优势和艰巨的挑战。

• 在谷歌和IBM等科技巨头的支持下，超导量子比特在规模化和特定任务的量子优势方面取得了令人瞩目的进展。其主要挑战仍然是解决退相干问题并实现稳健的纠错。

  
  

• 由 Quantinuum 和 IonQ 等公司倡导的离子阱技术拥有卓越的量子比特质量和相干性，但在门速度和大型系统扩展方面面临挑战。

  
  

• PsiQuantum 和 Xanadu 所追求的光子量子比特具有室温操作（部分）和利用现有制造工艺的吸引力，但必须克服概率门和光子损失。

  
  

• 中性原子，在 Pasqal/QuEra 和 Atom Computing 等公司的快速发展下，为大量相同的量子比特和强相互作用提供了可扩展性，但需要提高门保真度。

  
  

• 以英特尔为主要参与者的硅自旋量子比特有望通过 CMOS 制造实现大规模可扩展性，但在制造可变性方面存在困难。

  
  

• 金刚石 NV 中心在室温和传感方面表现出色，但将纠缠扩展到通用计算是一个重大障碍。

  
  

• 拓扑量子比特主要由微软的长期愿景驱动，提供了固有容错的终极奖励，但仍处于基础科学论证的早期阶段。

预测：未来是一场多面性的竞赛

预计当前单一架构不太可能在短期内在所有方面或所有应用上都获胜。容错量子计算的竞赛更像是一场包含多个阶段的马拉松：

最有可能取得早期商业/科学优势如下：

• 超导量子比特和捕获离子目前在量子比特数量、门保真度和可用的编程工具方面处于最领先的地位。
• 他们很可能率先为特定的、商业相关的问题提供量子优势，并展示早期的小规模容错逻辑量子比特。
• 超导系统背后强大的工业支持和工程资源使其在快速扩展和系统集成方面略有优势。
• 被捕获的离子具有优异的相干性，在需要高精度控制的应用中表现出色。

大规模可扩展性的最高潜力：

• 硅自旋量子比特和光子量子比特具有利用现有高度成熟的半导体制造工艺的潜力，因此具有重大的长期前景。
• 如果可以克服自旋量子比特的制造可变性问题，或者光子方法可以掌握确定性操作并最大限度地减少规模损失，这些架构最终可以产生复杂、容错量子计算机所需的数百万个量子比特。
• PsiQuantum 与 GlobalFoundries 合作制定的光子学宏伟计划就是这一扩展战略的一个显著例子。

具有变革潜力的黑马：

• 拓扑量子比特虽然距离实际实现还有很长的路要走，但如果基本科学障碍被扫除，它可能会改变游戏规则。
• 它们固有的容错能力将大大简化大规模量子计算的途径。
• 然而，这仍然是一个非常高风险的长期前景。

混合可能是未来

量子计算的未来也可能涉及结合不同架构优势的混合系统。

例如，人们可能会设想高度相干的记忆量子比特（如与 NV 中心或捕获离子相关的核自旋）与更快的处理量子比特（如超导或硅自旋量子比特）相结合，或连接不同量子比特类型模块的光子互连。

结论

在未来五到十年内，超导量子比特和捕获离子最有可能提供越来越强大的量子处理器，并展示容错的初始阶段。

它们拥有最成熟的生态系统以及大量的企业和学术投资。

但是，如果能够克服各自的关键挑战，硅自旋量子比特和光子学的可扩展性优势将使它们成为长期的有力竞争者。

中性原子也在快速发展，并能提供量子比特数和相互作用控制之间的显著平衡。

最终，“获胜”的架构可能取决于具体的应用，并且多种类型的量子计算机可能会共存，每种类型的量子计算机都针对不同类别的问题进行优化。

旅程与目的地同样重要，对量子计算的追求推动了物理学、材料科学和工程学的深刻进步。

未来十年，必将是这场量子革命中激动人心的创新和发现的新时期。

编辑：行动中的大雄

参考：

https://hackernoon.com/the-7-competitors-vying-for-the-ultimate-quantum-computing-architecture