未來十年科技公司競相擴大量子計算規模

根據 IBM、谷歌、亞馬遜、微軟等公司分享的詳細信息，美國科技公司正在競相將量子計算機系統從實驗室原型擴展到工業機器。

芯片設計和糾錯技術的突破縮小了技術差距，使得一些人能夠實現十年的目標，但也有人警告稱，這條路還很長。

IBM 於 6 月份發佈的公告列出了一項全面的設計方案，填補了早期計劃中缺失的工程細節。該公司量子項目負責人傑伊·甘貝塔 (Jay Gambetta) 表示，他們現在有了一條“清晰的路徑”，能夠在 2030 年前製造出在材料模擬和人工智能建模等任務上超越 classic計算機的機器。

由朱利安·凱利 (Julian Kelly) 領導的谷歌量子研究團隊去年解決了其最大的技術障礙之一，並表示將在十年內實現這一目標，凱利稱所有剩餘問題都是“可以克服的”。

公司努力解決擴展挑戰

亞馬遜量子硬件主管奧斯卡·佩因特（Oskar Painter）警告稱，即使取得了重大的物理學裏程碑，進入工業化階段仍可能需要15到30年的時間。要實現有意義的性能，量子比特（基本量子單位）的數量必須從不足200個躍升至100萬個以上。

量子比特的不穩定性阻礙了量子擴展，使其可用狀態的時間被限制在幾分之一秒內。IBM 的 Condor 芯片擁有 433 個量子比特，出現了組件間干擾的問題，Rigetti Computing 首席執行官 Subodh Kulkarni 將其描述爲“一個棘手的物理問題”。IBM 表示，他們已經預料到了這個問題，目前正在使用不同的耦合器來減少干擾。

早期系統依靠單獨調整的量子比特來提升性能，但這在大規模應用中行不通。目前，各公司正在開發更可靠的組件和更經濟的製造方法。

谷歌的成本削減目標是將零部件價格降低十倍，以 10 億美元的價格構建一個完整的系統。糾錯技術，即在量子比特之間複製數據，確保丟失一個數據不會影響結果，被認爲是實現規模化應用的必要條件。

谷歌是唯一一家展示出糾錯功能會隨着系統規模增長而不斷改進的芯片的公司。凱利表示，跳過這一步將導致“一臺會輸出噪音的昂貴機器”。

競爭設計和政府支持

IBM 正在押注一種名爲低密度奇偶校驗碼的糾錯方法，該公司聲稱這種方法所需的量子比特比谷歌的表面碼方法少 90%。表面碼將網格中的每個量子比特與其相鄰的量子比特連接起來，但需要超過一百萬個量子比特才能完成有用的工作。

IBM 的方法需要量子比特之間建立長距離連接，這在工程設計上非常困難。IBM 表示，他們現在已經實現了這一點，但 Gartner 的 Mark Horvath 等分析師表示，該設計目前仍停留在理論階段，必須在製造過程中進行驗證。

其他技術障礙仍然存在：簡化佈線、將多個芯片連接成模塊以及構建更大的低溫冰箱以使系統保持接近絕對零度。

IBM使用的超導量子比特表現出tron的進展，但難以控制。諸如捕獲離子、中性原子和光子等替代方案更穩定，但速度較慢，且難以連接到大型系統。

英國Universal Quantum公司首席執行官塞巴斯蒂安·魏特（Sebastian Weidt）表示，政府的資助決定可能會將競爭範圍縮小到少數幾家。五角大樓的研究機構美國國防部高級研究計劃局（DARPA）已啓動一項審查，以dent實用系統的最快途徑。

亞馬遜和微軟正在嘗試新的量子比特設計，包括奇異的物質狀態，而老牌企業則不斷改進舊技術。“雖然很難，但並不意味着無法實現，”霍瓦特說道，他總結了業界實現百萬量子比特目標的決心。

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