量子計算機混戰：新貴離子 vs 老派超導體
作者：Paul Smith-Goodson 是知名研究分析公司 Moor Insights & Strategy 的量子計算常駐分析師。
英特爾公司正迅速取得進展，將超導量子計算測試芯片的量子位增加到更多數量：從 7 個量子位增加到 17 個量子位，現又增加到 49 個量子位（從左到右）。需要多個鍍金連接器來控制和操縱每個量子位。（圖片來源：Walden Kirsch/英特爾公司）
量子位是量子計算機的核心。它們難以想象的特性為量子機器賦予了驚人的計算能力。
超導設備、自旋原子、極化光子、量子點和俘獲離子（trapped ion）不是未來的視頻游戲，而是不同的量子位技術。此外，每一種類型的量子位有其獨特的優缺點。
在所有類型的量子位中，超導量子位最為常見。然而，俘獲離子量子位是一種比較新的量子位技術，大有希望。除了擁有更快的柵極速度外，超導量子位還是固態制造。另一方面，俘獲離子量子位比超導量子位更穩定，與其他量子位的連接性更好。
從功能上來講，所有量子位都依賴奇特的量子特性。量子計算機的量子位（qubit）可以編碼成1、0 或同時編碼成 1 和0，而不是經典位：1 或0。量子位也可以同時存在于所有可能的狀態中。這種情形稱為疊加。
群體思維
經典計算機中的位單獨行動，而量子特性讓量子位可以彼此“糾纏”。一旦糾纏，一組量子位就可以充當一個量子位。這使得多重輸入可以出現在單一量子位上。
與一次只能進行一次計算的經典計算機相比，疊加使量子計算機有望同時執行數百萬個操作。
量子隱形傳態（quantum teleportation）是另一項量子特性。這聽起來如同科幻，但事實并非如此。量子隱形傳態并非傳輸物體，而是僅限于在糾纏的粒子之間共享量子態，不管糾纏的粒子相隔有多遠。將來，隱形傳態對于控制和使用遠程量子服務器中的量子位以及對于電信而言將很有用。
量子位就是量子位……幾乎
幾種常見的量子位技術。C. Bickle 繪圖， Gabriel Pokin 提供科學數據
超導領域的重量級玩家
IBM、谷歌和英特爾等科技巨頭都已經用超導量子位在量子計算領域搶占了地盤。
值得一提的是，英特爾并不依賴超導量子位。它還在研究硅中運行的另一種量子位技術，名為自旋量子位。自旋量子位的量子態取決于硅上電子的自旋。英特爾之所以對自旋量子位感興趣，一個原因是這是可以充分發揮英特爾在硅制造領域的豐富經驗的另一種技術。
Rigetti Computing 是加利福尼亞一家新冒出來但表現不俗的初創公司，它也使用超導量子位。這家全棧式公司最近收購了 QxBranch，因而夯實了應用開發能力。
超導量子位的弊端
超導量子位是所有量子位技術中最成熟的。這意味著我們知道需要進行哪些改進，即使可能還不知道如何改進。超導量子位還具有可使用現有半導體技術來制造的優點。
超導量子位有幾個缺點：
IonQ：新興的離子初創公司
IonQ、Alpine Quantum Technologies（奧地利）和霍尼韋爾都使用俘獲離子技術。然而 IonQ 是這項技術的驅動力。IonQ 由 Christopher Monroe 和 Kim Jungsang Kim 于 2015 年創辦。Monroe 是馬里蘭大學的 Bice Zorn 教授和杰出的物理學教授，還是聯合量子研究所（Joint Quantum Institute）的研究員，他目前是 IonQ 的首席科學家。Kim 是杜克大學電氣與計算機工程系教授。
制造更好的離子阱
俘獲離子技術不是什么全新的概念。它用來制造世界上精度最高的一些原子鐘。
與原子鐘一樣，IonQ 使用鐿同位素來制造量子位。他們從鐿的中性原子入手，然后使用激光器從原子的外殼去除電子。這個過程將鐿的常規原子轉變成鐿離子（Yb +）。
鐿離子由線性離子阱中的電磁場保持在適當位置。據 IonQ 聲稱，由于該技術易于重新配置，他們可以將 100 個或更多離子加載到一條線性鏈中。此外，無需制造新芯片就能做到這一點。到目前為止，他們已經在 79 個離子組成的線性鏈上使用單量子位柵極。
俘獲離子量子位有很多優點。與超導量子位相比，它們用于糾錯所需的開銷較低。由于庫侖力，很容易讓一個共享離子阱中的多組量子位糾纏起來。另一大優點是不需要稀釋制冷劑。
長遠展望
在獲得通用的容錯量子計算機之前，有許多工作要做。超導量子位和俘獲離子量子位的長期可行性看起來不錯。由于那些最龐大最優秀的科技公司擁有雄厚的財力，超導量子位會穩步改進。
如果俘獲離子計算機研究人員可以用激光器解決規模問題，他們比超導量子位計算機研究人員更勝一籌的可能性相當大。
幾乎所有研究人員都一致認為我們處于量子計算的早期實驗階段。最靠譜的估計是，量子計算再過 15 年至 20 年才達到成熟階段。未來研究很有可能會發現更好的量子位技術或材料。