“乐高积木”可能是组建量子计算机的关键.docx

 一家名为量子电路(Quantum Circuits)的初创公司正在将微型量子设备联网，共同创造电脑。该公司声称，这种电脑比竞争对手的电脑更容易扩大规模。 参观任何正在建造量子计算机的初创企业或大学实验室，感觉就像进入了20世纪60年代的时光隧道——那是大型计算机的全盛时期，一台计算机可以填满整个房间，并且需要一小群技术人员共同操作。 从超精确激光到过冷冰箱，各种各样的设备都需要利用量子力学的奇异力量来处理数据。电缆连接不同的齿轮，像五颜六色的“意大利面条”，下到地面，上至天花板。物理学家和工程师们围着一排排的屏幕，不断地监控和调整计算机的性能。 大型机引领了信息革命，人们希望量子计算机也能改变游戏规则。量子计算机巨大的处理能力甚至有望超越当前最强大的传统超级计算机，从而间接推动药物发现、材料科学、人工智能等各个领域的进步。 这个新兴行业面临的巨大挑战是，要制造出既可靠又相对便宜的机器。对量子计算机中传输信息的量子位进行校验和管理是很困难的。即使是最微小的振动或温度变化——量子术语中称为“噪声”的现象——也会导致量子位元失去其脆弱的量子态。当这种情况发生时，计算就会出现错误。 最常见的对策是在单个芯片上创建尽可能多的量子位元。如果一些量子位元发生错误，其他持有信息副本的量子位元就可以被用来作为备份，这可以通过开发用于检测和最小化错误的算法实现的。IBM和谷歌等大公司以及Rigetti Computing等知名初创企业都支持这一策略，该策略催生了让人联想起当年那些房间大小的大型机的复杂机器。 问题是错误率太高。现今最大的芯片只有不到100个量子位元，但可能需要数千甚至几万个量子位才能产生与一个没有错误的量子位相同的结果。每个量子位元都需要自己单独的控制线路，因此添加的量子位元越多，系统的管理就越复杂。监测和管理快速扩大的量子位也需要更多的齿轮。这可能会大大提高量子计算机的复杂性和成本，限制它们的吸引力。 耶鲁大学教授Robert Schoelkopf认为有更好的方法。他在2017年与人共同创办了量子电路公司(Quantum Circuits)，该公司正在开发相当于微型量子机器的东西，而不是试图在一块芯片上塞入更多的量子位元。它们可以通过专门的接口联网，有点像高科技的乐高积木。Schoelkopf说，这种方法有助于降低错误率，创建强大的量子机器需要的量子位元将更少，从而对硬件的要求也就更低。 持怀疑态度的人指出，量子电路公司还未像IBM等竞争对手一样，公开推出一款可以工作的电脑。但如果它能实现Schoelkopf所说的那样，就能帮助量子计算更快地走出实验室，进入商业世界。 创造更持久量子位元的驱动力 将更小的量子模块捆绑在一起来制造更强大的计算机的想法已经存在多年了，但从未真正流行起来。Jerry Chow管理着IBM Research的实验量子计算团队。他说，目前还没有模块化建造可容错量子计算机的方法，如果有人能做到这一点，那将很可能是Schoelkopf和他的同事。 Schoelkopf曾是一名工程师和物理学家，在NASA和加州理工学院工作过，1998年在耶鲁大学任教，开始从事量子计算的工作。他和他的同事率先使用芯片上的超导电路来产生量子位元。通过将电流注入比深空还要冷的冰箱内的特殊微芯片，它们能够将粒子诱导到量子态，而量子态是计算机巨大能力的关键。 与普通计算机中表示1或0的电脉冲或光脉冲流不同，量子位元是光子或电子等亚原子粒子，它们可以是1和0的某种组合——这种现象被称为“叠加”。量子位元也会互相纠缠，这意味着一个量子位元状态的改变可以瞬间改变另一个量子位元的状态，即使它们之间没有物理联系。 关于量子计算机需要知道的主要事情是，量子计算机的量子位元可以同时执行许多计算，而普通计算机必须按顺序执行这些计算。这意味着向量子机器添加额外的量子位元可以成倍地提高其处理能力。 Schoelkopf在噪音问题上的工作也为其赢得了赞誉。量子比特的相干时间（即在噪声干扰其微妙的量子态之前，可以运行多久的计算）大约每三年就会提高10倍。研究人员将这一趋势称为“Schoelkopf定律”，这是对经典计算中的摩尔定律的致敬。摩尔定律认为，一块硅片上的晶体管数量大约每两年就会翻一番。量子电路公司的投资者Brendan Dickinson说，Schoelkopf在超导量子位元方面的优势是他决定支持这项业务的主要原因之一。 有点讽刺意味的是，舍尔科普夫和他在耶鲁大学的联合创始人米歇尔?德沃里特(Michel Devoret)和路易吉?弗伦齐奥(Luigi Frunzio)指导的一些学生，现在供职于IBM和Rigetti等与他们的初创企业竞争的公司。Schoelkopf显然为耶鲁大学量子计算实验室自豪。他说前几年他统计了世界上从事超导量子位元研究的机