量子運算簡介
量子運算是物理學和電腦科學交叉領域的革命性領域，它將解決目前即使是最強大的傳統電腦也無法解決的問題，以量子技術重塑我們的世界。
與將資訊儲存為代表 0 或 1 的位元的傳統電子電腦不同，量子電腦是利用量子位元。
根據量子力學原理，量子位元可以同時表示 0、1 或兩種狀態的疊加。
這與另一種稱為糾纏的量子現象相結合，使得量子電腦能夠並行執行大量計算，為特定類型問題提供指數級的加速。
量子運算的前景非常廣闊，其應用範圍的潛力將包括：
- 藥物發現和材料科學（透過以前所未有的精度模擬分子）
- 財務建模（最佳化投資組合和風險評估）
- 密碼學（打破現有的加密標準並實現新的安全通訊方法）
- 人工智慧（增強機器學習演算法）
- 物流與最佳化（解決複雜的路線和排程問題）
- 通用最佳化（涵蓋各處的一大類系統）
- 還有許多其他目前尚不為人所知但隨著研究的加速而出現的東西。
現今，人們正在探索量子運算的各種物理實現或技術架構。
以下探討的每個量子系統都有其獨特的優勢和劣勢，並且都有一個專門的研究人員以及公司社群致力於建構容錯的大規模量子機器。
探索量子領域：領先架構概覽
探索量子運算
對容錯量子電腦的追求引發了對眾多物理系統的探索。下面，我們將逐個了解使用最突出的量子運算方法：
1.超導量子位元
物理組件：
- 超導量子位元通常由鈮或鋁等超導材料製成，並在矽或藍寶石基板上形成圖案。
- 它們通常涉及「約瑟夫森接面」，即兩個超導體之間的薄絕緣屏障，形成非線性電感器，使量子位元具有不同的能級。
- 這些電路在稀釋致冷機中冷卻至毫開爾文溫度，以保持其超導狀態並最大限度地減少熱雜訊。
工作原理
- 量子位元狀態（0、1和疊加態）由超導電路的不同能級表示。
- 微波脈衝被精確地應用於控制單個量子位元（單量子位元閘）的狀態並將它們與相鄰的量子位元（雙量子位元閘）糾纏在一起。
- 量子位元狀態的讀出通常是透過將量子位元耦合到諧振器並測量諧振器特性的變化來實現的。
優勢：
- 可擴展性：利用成熟的半導體製造技術，可以製造出具有大量量子位元的晶片。
- 快速閘速：微波脈衝可以實現相對較快的量子操作，通常在奈秒範圍內。
- 高保真度：在實現高保真度單量子位元和雙量子位元閘方面取得了重大進展。
挑戰：
- 退相干：量子位元對環境雜訊（例如電磁場、溫度波動）極為敏感，導致量子資訊的丟失（退相干）。
- 連接性：實現晶片上所有量子位元之間的高連接性可能具有挑戰性，有時會限制量子演算法的效率。
- 低溫學：超低溫的要求需要複雜且昂貴的低溫基礎設施。
- 製造變異性：製造過程中的細微變化都可能導致量子位元屬性的差異，需要仔細校準。
當今世界涉及量子運算的公司有哪些？我們來逐個看一下。
- 谷歌量子人工智慧：
- 2019 年，這家公司利用 53 量子位元 Sycamore 處理器展示了「量子霸權」，執行特定任務的速度比當時最強大的傳統超級電腦還要快。
- 發表了關於量子糾錯的研究，包括展示透過增加量子位元的數量來減少錯誤的能力。
- 不斷致力於開發具有更高一致性和連接性的更強大的處理器。
- IBM Quantum：
- 提供對量子處理器群的雲端存取，允許研究人員和開發人員試驗量子演算法。
- 擁有擴展其處理器的路線圖，其中晶片超過 1,000 個量子位元（例如 Condor）並計畫打造更大的系統。
- 專注於建構完整的量子運算堆疊，從硬體到軟體和社群建構。
- 發布了 1,121 量子位元 Condor 處理器和 133 量子位元 Heron 處理器，錯誤率顯著降低。
- Rigetti 計算：
- 開發超導量子處理器並提供雲端存取。
- 採用多晶片架構來擴展其系統。
- 致力於提高閘保真度和量子位元相干性。
- 宣布推出 84 量子位元 Ankaa-2 系統。
- Quantinuum（合併了霍尼韋爾量子解決方案和劍橋量子）：
- 雖然 Quantinuum 的主要重點是離子捕獲技術，但霍尼韋爾之前曾對超導量子位元進行過研究。
- 合併後的實體利用不同量子技術的專業知識。
- 阿里巴巴量子實驗室：
- 一直在開發超導量子處理器並探索量子應用。
以下是這些公司可能發布量子電腦的時間表：
- 1-3 年：
- 量子位元品質（相干時間、閘保真度）不斷提高，開發具有幾百到幾千個物理量子位元的處理器。
- 專注於展示針對特定、明確定義問題的量子優勢。
- 增強量子糾錯實驗。
- 3-5 年：
- 早期容錯量子位元的出現，表明邏輯量子位元的壽命顯著提高。
- 具有數千個物理量子位元的處理器可以實現更複雜的演算法和糾錯碼。
- 探索更廣泛的應用和開發更複雜的量子軟體。
- 5-10 年：
- 小型容錯量子電腦具有解決特定領域中傳統電腦無法解決的問題的潛力。
- 進一步擴大量子位元數量並改進連接性和控制性。
- 開發更成熟的量子運算生態系統，包括軟體工具和演算法。
對量子運算的未來展望
- 超導量子位元是目前最領先且資金最充足的方法之一。
- 來自主要科技公司的強力支持和現有半導體製造專業知識的利用為持續進步提供了堅實的基礎。
- 主要挑戰仍然是透過有效對抗退相干和實施強大的量子錯誤校正來實現容錯。
- 谷歌和 IBM 等公司正在積極追求這一目標，他們的路線圖表明未來十年將取得重大進展。
- 未來可能會繼續競相追求更高的量子位元數、更低的錯誤率以及展示實際的量子優勢。
- 成功取決於克服重大的物理和工程障礙，特別是在材料科學和大規模系統整合領域。
捕獲離子量子運算
捕獲離子量子位元技術
物理組件：
- 捕獲離子量子位元由帶電並使用電磁場限制的單個原子（離子）組成。
- 這些離子通常被保存在稱為離子阱的裝置內的真空室中，該裝置可以是線性「保羅阱」或「彭寧阱」。
- 雷射用於冷卻離子、初始化其量子態、執行量子閘操作以及讀出最終狀態。
工作原理
- 量子態（0 和 1）由每個捕獲離子內的穩定或亞穩態電子能級表示。
- 雷射經過精確調節，可以引發這些能級之間的躍遷，從而實現單量子位元旋轉。
- 雙量子位元閘通常透過使用雷射透過陷阱中的集體運動（聲子）耦合兩個離子的內部電子態來實現。
- 透過照射雷射使某一狀態的離子發出螢光（發光），從而讀出每個離子的最終狀態，然後可以透過靈敏的相機或光電偵測器偵測到。
優勢：
- 長相干時間：
- 離子在真空中與環境很好地隔離，從而導致非常長的相干時間，通常比其他量子位元模式長幾個數量級。
- 高閘保真度：
- 雷射驅動閘可以對單量子位元和雙量子位元操作實現非常高的精度。
- 相同的量子位元：
- 同一原子種類的所有離子本質上都是相同的，從而消除了製造差異作為誤差來源。
- 高連接性：
- 陷阱內的離子可以相互耦合，從而可能實現全對全連接，這對許多量子演算法有益。
挑戰：
- 閘速慢：
- 與超導量子位元等固態系統相比，由聲子介導的相互作用和離子的物理運動會導致閘操作速度變慢。
- 可擴展性：
- 在單個陷阱中捕獲並精確控制大量離子變得越來越困難。
- 人們正在探索涉及在不同的捕獲區之間穿梭離子或連接多個捕獲區的架構，這增加了複雜性。
- 雷射控制複雜性：
- 需要大量精確控制的雷射器來處理單個離子並執行閘控，這增加了系統的複雜性和潛在的故障點。
- 保持真空和阱穩定性：高真空環境和穩定的電磁場至關重要，需要複雜的工程技術
涉及的技術公司包括如下：
- Quantinuum（它合併了霍尼韋爾量子解決方案和劍橋量子）：
- 開發了量子電荷耦合元件 (QCCD) 架構，允許離子在不同區域之間移動以進行相互作用和讀出。
- 實現了單量子位元閘和雙量子位元閘的高保真度。
- 展示了「量子體積」里程碑，這是衡量量子電腦整體能力的指標。
- 發布 H 系列量子電腦，其中 H2 處理器量子體積達到 65536。
- 專注於開發量子演算法和軟體，包括量子化學和網路安全。
- 離子Q：
- 開發可透過雲端平台存取的捕獲離子量子電腦。
- 專注於實現高量子位元品質和連接性。
- 報告了較高的平均單量子位元和雙量子位元閘保真度。
- 宣布了 IonQ Forte 等系統以及未來幾代具有更高量子位元數和性能的計畫。
- 與多家機構和公司合作探索量子應用。
- 阿爾派量子技術公司（AQT）：
- AQT 總部位於奧地利，致力於開發機架式離子阱量子電腦。
- 專注於為研究和工業提供交鑰匙系統。
- 提供對其量子處理器的雲端存取。
- 通用量子：
- 一家總部位於英國的公司正在開發基於獨特模組化方法的離子阱量子電腦，使用矽微晶片連接各個量子運算模組。
- 旨在建構大規模、糾錯的量子電腦。
可能發布的時間表
- 1-3 年：
- 閘速度和保真度不斷提高。
- 擴展到具有數十到數百個高連接性的物理量子位元的系統。
- 演示更複雜的量子演算法和早期糾錯協議。
- 3-5 年：
- 開發更複雜的類似 QCCD 的架構或光子互連，以擴展到更大的量子位元數量（數百到可能超過一千）。
- 進一步降低錯誤率並展示邏輯量子位元。
- 5-10 年：
- 基於捕獲離子的容錯量子電腦的潛力，能夠解決商業相關問題。
- 整合先進的糾錯技術並開發更成熟的軟體堆疊。
- 繼續探索模組化架構以實現大規模擴展。
未來展望
- 捕獲離子由於其固有的高量子位元品質和長的相干時間而是一個非常有前景的平台。
- 主要挑戰在於將系統擴展到數千和數百萬個量子位元，同時保持性能並解決較慢的閘速度問題。
- Quantinuum 和 IonQ 等公司在開發模組化和可擴展架構方面取得了重大進展。
- QCCD 方法和整合光子互連的努力是克服縮放限制的關鍵。
- 如果能夠克服這些工程挑戰，捕獲離子就很有可能實現容錯量子運算。
- 重點將放在提高閘速度、展示強大的錯誤校正以及開發複雜離子阱的可擴展製造技術上。
光子量子運算
光子量子位元
物理組件
- 光子量子位元使用單個光子作為量子資訊的載體。
- 量子位元可以用光子的各種特性進行編碼，例如它們的偏振、路徑或時間箱。
- 關鍵組件包括單光子源（例如量子點、自發參量下轉換）、線性光學元件（例如分束器、移相器、鏡子）和單光子偵測器。
工作原理
- 單量子位元閘是透過將光子穿過波片或移相器等光學元件來實現的。
- 在純線性光學中，雙量子位元閘更具挑戰性，並且通常依賴於測量引起的非線性。
- 這通常涉及輔助光子、干涉儀和預示閘成功運行的測量。
- 當光子穿過這些光學元件的網路時，量子資訊就會被處理。
- 透過偵測光子及其特性（例如偏振）來執行讀出。
優勢
- 室溫操作（針對某些方面）：
- 光子對熱退相干具有很強的抵抗力，使得系統的某些部分可以在室溫下運行，儘管光源和偵測器可能需要冷卻。
- 低退相干：
- 光子與環境的相互作用較弱，導致傳播過程中的相干時間較長。
- 與現有光纖基礎設施整合：
- 利用現有電信技術實現量子電腦組網的潛力。
- 透過多路復用實現可擴展性：
- 以不同光自由度（例如時間、頻率）編碼資訊的能力為多路復用和增加量子位元密度提供了途徑。
挑戰
- 概率閘操作：
- 基於線性光學和測量的糾纏閘通常是概率性的，這意味著它們不會每次都成功。
- 這需要預告並可能需要多次嘗試，從而減慢計算速度。
- 光子損失：
- 光子可能會在光學元件中或傳輸過程中丟失，這是一個嚴重的錯誤來源。
- 高效單光子源和偵測器：
- 高效、高純度、按需地產生和偵測單光子在技術上具有挑戰性。
- 建構大型、穩定的干涉儀：
- 建構和維持許多量子位元所需的複雜光學裝置的穩定性非常困難。
- 缺乏直接的光子-光子相互作用：
- 光子不會自然地相互作用，如果不借助測量引起的非線性或強非線性材料（仍在開發中），就很難實現確定性的雙量子位元閘。
涉及的技術公司包括如下：
- PsiQuantum：
- 一家資金雄厚的公司正在研究基於融合量子運算（FBQC）的光子方法，該方法利用測量來建立小資源狀態之間的糾纏。
- 旨在利用現有的製造光子晶片的半導體製造工藝，建構一台百萬量子位元容錯量子電腦。
- 主要以隱身模式運行，但已發表了一些關於其架構和糾錯的研究。
- 與 GlobalFoundries 合作生產光子晶片。
- 上都（Xanadu）：
- 開發可透過其雲端平台（Xanadu Quantum Cloud）和開源軟體（PennyLane、Strawberry Fields）存取的光子量子電腦。
- 使用光的壓縮態（一種連續變數量子運算）和光子數分辨偵測器。
- 已經利用其 Borealis 和 X 系列晶片在特定的取樣任務上展示了「量子運算優勢」。
- 專注於可編程和可擴展的光子架構。
- ORCA 計算：
- 一家英國公司採用基於量子儲存和多路復用的獨特方法開發光子量子電腦。
- 旨在透過儲存和重用光子來克服光子丟失和概率閘的挑戰。
- 向英國國防部交付了一套系統。
- QuiX Quantum：
- 一家專門研究基於氮化矽（SiN）波導的光子量子處理器的荷蘭公司。
- 專注於為量子資訊處理和類比提供低損耗、高性能的光子處理器。
- 提供現成的光子處理器。
- NTT（日本電報電話公司）：
- 在光學技術方面有著長期的研究歷史，並一直在探索光子量子運算，包括基於測量的方法。
- 開發全光量子中繼器和網路技術。
可能發布的時間表：
- 1-3 年：
- 單光子源和偵測器的效率不斷提高。
- 開發更大、更複雜的整合光子電路。
- 在小型光子處理器上演示更複雜的量子演算法。
- 在減少光子損失和提高閘保真度方面取得進一步進展。
- 3-5 年：
- 具有數百至幾千個物理量子位元（或連續變數方法中的等效量子位元）的光子系統的潛力。
- 演示針對光子系統定制的更先進的糾錯技術（例如，對光子損失具有彈性的代碼）。
- 5-10 年：
- PsiQuantum 等公司的目標是利用半導體製造技術，在此時間範圍內實現具有大量量子位元（接近一百萬）的容錯系統。
- 成功取決於克服與損耗、閘確定性和組件效率相關的重大工程和物理挑戰。
- 基於光子鏈路的量子網路的發展。
未來展望
- 光子量子運算由於其在室溫下操作（部分）的潛力以及利用現有製造技術的潛力而提供了一條有吸引力的途徑。
- 主要障礙是某些閘方案的概率性質和光子損失。
- 然而，基於測量的量子運算和更好的組件的開發等創新方法正在解決這些問題。
- PsiQuantum 等公司正透過與大型半導體代工廠合作，雄心勃勃地拓展這項技術。
- Xanadu 還透過其連續變數方法和雲端平台不斷突破界限。
- 如果能夠有效地應對建構確定性閘和最小化光子損失的挑戰，光子學可以為量子運算提供高度可擴展和可組網的平台。
- 大規模生產光子晶片的能力是一個顯著的優勢。
中性原子量子位元
物理組件：
- 中性原子量子位元使用單個中性原子（例如，銣、鍶、鐿）作為量子位元。
- 這些原子被利用被稱為光鑷或光晶格的緊密聚焦雷射束陣列捕獲在真空室中。
- 雷射還用於冷卻原子、初始化其狀態、執行量子閘（通常透過將原子激發到里德堡狀態）以及讀出量子位元狀態。
工作原理
- 量子位元狀態通常由中性原子的兩個不同的超精細基態或基態和高度激發的里德堡態表示。
- 單量子位元閘是透過將共振雷射脈衝施加到單個原子來實現的。
- 雙量子位元閘通常透過將兩個相鄰的原子激發到里德堡態來實現。
- 在里德堡狀態下，原子的電子遠離原子核，這使得原子變得更大，並能夠與其他里德堡原子發生強烈的長程相互作用（里德堡阻塞）。
- 這種阻塞效應可用於實現受控 Z 閘或 CNOT 閘。
- 讀出通常透過狀態選擇性螢光完成，類似於捕獲離子。
優勢
- 相同的量子位元：
- 與離子一樣，同一物種的所有原子都是相同的。
- 可擴展至大量量子位元：
- 光鑷陣列可以縮放以在二維和三維配置中捕獲數百甚至數千個原子。
- 強大、可控的互動：
- 里德堡相互作用為雙量子位元閘提供了強大且可切換的長程相互作用。
- 可重構幾何形狀：
- 光鑷陣列中原子的位置通常可以動態重新配置，從而實現靈活的量子位元連接。
挑戰
原子負載和空位：
- 將原子裝入光鑷是一個概率過程，導致陣列中需要填充的初始空位，這會減慢實驗週期時間。
里德堡態壽命和退相干：
- 雖然里德堡相互作用很強，但里德堡態本身的壽命有限，並且對雜散電場和黑體輻射敏感。
雷射尋址和控制：
- 利用雷射精確尋址和控制密集陣列中的單個原子需要複雜的光學系統。
保持真空：
- 與捕獲離子類似，需要高真空環境
中性原子量子運算涉及的技術公司包括如下：
- Pasqal（與 QuEra Computing 合併）：
- 開發用於計算和類比的中性原子量子處理器。
- 已經演示了具有數百個量子位元的系統。
- 專注於最佳化、機器學習和量子類比中的應用。
- 合併前，QuEra 演示了一個 256 量子位元的可編程量子類比器，並發表了解決最佳化問題的成果。Pasqal 已向研究機構交付了相關系統。
- 合併後的實體的目標是在短期內交付一台 1000 量子位元的量子電腦，並在 5 年內交付一個容錯系統。
- 原子運算：
- 利用光學捕獲原子陣列開發中性原子量子電腦。
- 宣布推出 100 量子位元系統（Phoenix），並使用鹼土原子中的核自旋量子位元證明了相干時間超過 40 秒。
- 專注於實現長相干時間和擴展量子位元數。
- 最近宣布了一個擁有 1,225 個位點的原子陣列，其中 1,180 個由量子位元填充，這是其路線圖中的重要一步。
- ColdQuanta（現為 Infleqtion）：
- 開發一系列基於冷原子和超冷原子的量子技術，包括量子運算、感測器和訊號處理。
- 提供可透過雲端存取的中性原子量子電腦（希爾伯特）。
- 專注於基於閘的量子運算和使用中性原子的量子類比。
- 開發廣泛的量子裝置和應用。
可能發布的時間表
- 1-3 年：
- 具有幾百到幾千個物理量子位元的系統。
- 閘保真度不斷提高，特別是雙量子位元里德堡閘。
- 在特定的類比和最佳化問題上展示量子優勢。
- 開發更複雜的大型陣列控制和讀出技術。
- 3-5 年：
- 擴展到數千個量子位元。
- 實現量子糾錯碼取得重大進展。
- 探索 3D 原子陣列以實現更高的量子位元密度和連接性。
- 5-10 年：
- 基於中性原子的早期容錯系統的潛力。
- 進一步提高連貫性、閘速度和整體系統可靠性。
- 更廣泛地應用於科學研究和專業工業應用。
未來展望
- 中性原子量子位元已經成為一個快速發展的平台，它提供了對大量相同量子位元的可擴展性和強大、可控的相互作用的引人注目組合。
- 動態重新配置量子位元佈局的能力也是一個顯著的優勢。
- 主要挑戰包括提高閘保真度（尤其是里德堡閘）、管理原子陣列中的空位以及延長相干時間，特別是對於里德堡態。
- 合併後的 Pasqal/QuEra、Atom Computing 和 Infleqtion 等公司正在不斷突破這項技術的界限。
- 原子運算最近利用核自旋證明了非常長的相干時間，這是一個有希望的進展。
- 如果里德堡閘保真度能夠持續提高，並且能夠有效地實施糾錯，中性原子就可能成為建構大規模、容錯量子電腦的主要競爭者，尤其適合量子類比和最佳化任務。
矽自旋量子位元（量子點）
物理組件：
- 矽自旋量子位元利用被稱為量子點的半導體奈米結構中單個電子或電子空穴的自旋（一種固有的量子力學特性）。
- 這些量子點通常採用與製造傳統 CMOS 電晶體類似的技術，在矽或矽鍺 (Si/SiGe) 異質結構中製造。
- 半導體頂部的金屬閘極用於限制電子並控制其能級和相互作用。
工作原理
- 電子或空穴的兩種自旋狀態（自旋向上和自旋向下）代表量子位元狀態 0 和 1。
- 單量子位元閘是透過施加微波脈衝與自旋頻率產生共振來實現的，該自旋頻率可以透過外部磁場或局部電場進行調整（利用自旋軌道耦合或 g 因子調變）。
- 雙量子位元閘通常是透過暫時降低相鄰量子點之間的勢壘來實現的，從而使電子的波函數重疊並透過交換相互作用進行相互作用。
- 讀出通常使用自旋到電荷的轉換來執行，其中電子的自旋狀態與它是否可以從點中隧穿出來相關，然後由附近的電荷感測器偵測到。
優勢
- 利用 CMOS 製造：
- 最大的優勢是有可能利用成熟且極其先進的矽 CMOS 製造基礎設施，從而實現大規模的可擴展性和整合。
- 小量子位元尺寸：
- 量子點非常小，可以在晶片上實現高量子位元密度。
- 良好的相干性（在富集矽中）：
- 矽中的電子自旋可以具有較長的相干時間，尤其是在使用同位素純化的矽（28Si）來減少核自旋的磁雜訊時。
挑戰：
- 製造差異性：
- 量子點特性對其尺寸、形狀和局部靜電環境的微小變化極為敏感。
- 這種「無序」使得產生大量相同且可控的量子位元陣列變得十分困難。
- 連接性（串擾）：
- 雖然量子位元可以放置得靠近，但實現遠距離量子位元之間的高保真度、可控的相互作用卻很困難。
- 對於大型陣列來說，佈線和控制訊號密度也變得具有挑戰性。
- 電荷雜訊：
- 周圍半導體材料的波動會影響量子點的靜電勢，導致退相干。
- 工作溫度：
- 雖然矽自旋量子位元可能比超導量子位元更高，但它通常仍需要低溫（開爾文或亞開爾文範圍）才能實現最佳運行。
- 複雜的控制電子設備：
- 每個量子位元需要多個閘極電壓進行精確控制，從而導致複雜的控制介面
量子點量子運算涉及的技術公司如下：
- 英特爾：
- 利用其先進的半導體製造能力來開發矽自旋量子位元。
- 已經生產了 12 量子位元和多量子位元晶片（例如 Tunnel Falls）。
- 專注於利用工業製造工藝提高量子位元的均勻性、產量和整體性能。
- 發表了關於在較高溫度（約 1 開爾文）下操作自旋量子位元的研究。
- CEA-Leti（與 CNRS 合作）：
- 一家擁有強大半導體製造能力的法國研究機構，正在積極開發矽自旋量子位元。
- 專注於 CMOS 相容設計並展示了多量子位元裝置。
- imec：
- 奈米電子學和數位技術領域的領先研究中心，與學術界和工業界合作夥伴合作開發矽自旋量子位元。
- 專注於利用先進的半導體處理來實現量子位元的製造和可擴展性。
- 提供現成的光子處理器。
- 量子運動：
- 一家總部位於英國的公司，致力於開發矽自旋量子位元，專注於工業規模製造。
- 旨在使用 CMOS 相容方法創建容錯量子電腦。
- SEEQC（主要研究超導，但也探索了混合方法）：
- SEEQC 專注於將經典控制電子技術與超導量子位元相結合，但更廣泛的矽基量子運算領域與它們的整合目標相關。
- 弓箭手材料：
- 一家澳洲公司正在開發室溫矽量子位元技術（12CQ 晶片），這是更廣泛的矽基類別中的一種獨特方法。
- 他們的方法旨在在室溫下進行操作，如果成功的話，這將是一個顯著的區別因素。
可能發布的時間表
- 1-3 年：
- 透過先進的製造技術不斷提高量子位元的均勻性和產量。
- 演示小陣列（數十個量子位元）中更高保真度的單量子位元和雙量子位元閘。
- 將控制電子設備更緊密地整合到量子位方面取得了進展。
- 3-5 年：
- 開發具有數百個自旋量子位元的晶片。
- 基本錯誤糾正協議的演示。
- 透過材料工程（例如，廣泛使用濃縮矽）進一步改善相干時間。
- 5-10 年：
- 利用 CMOS 縮放，系統有可能擁有數千到數萬個自旋量子位元。
- 在克服製造差異性和實現更高工作溫度方面取得了重大進展。
- 如果成功，這種方法可以實現整合量子處理器和共同封裝的經典控制，為大規模容錯系統鋪平道路。
未來展望
- 由於與現有 CMOS 製造相容，矽自旋量子位元具有極高的長期吸引力。
- 這為擴展到容錯量子運算所需的數百萬量子位元提供了無與倫比的潛力。
- 然而，製造變異性（「無序性」）的挑戰是一個需要克服的主要障礙。
- 在提高材料品質（例如矽的同位素純化）和開發更複雜的製造和控制技術方面正在取得重大進展。
- 英特爾等公司投入巨資，其製造專業知識是一項關鍵資產。
- 如果能夠解決均勻性和產量問題，並且可以在大型陣列中可靠地展示高保真閘，那麼矽自旋量子位元可能因其固有的可擴展性而成為主導架構。
- 未來十年對於確定這一承諾是否能夠實現至關重要。
金剛石氮空位（NV）中心運算
物理組件
- 金剛石 NV 中心量子位元利用金剛石晶格中的點缺陷，其中氮原子取代碳原子，並且相鄰的晶格位置是空的。
- NV 中心具有電子自旋，可以用作量子位元。輔助核自旋（例如來自氮原子本身或附近碳-13原子的自旋）也可以用作額外的、更穩定的量子位元或量子記憶體。
- 綠色雷射器用於透過自旋相關螢光初始化和讀出電子自旋態。
- 微波場用於控制電子自旋，射頻場用於控制核自旋。
工作原理
- NV 中心電子的自旋態（通常是三重態基態內的 ms=0 和 ms=-1 狀態）代表量子位元。
- 微波脈衝用於電子自旋的單量子位元旋轉。
- 雙量子位元閘可以在 NV 電子自旋和附近的核自旋之間實現，或者在兩個獨立的 NV 中心之間實現，通常透過光學或磁相互作用介導。
- 透過觀察綠色雷射照射時 NV 中心的螢光強度來讀取；NV 中心在 ms=0 狀態下發出的螢光比在 ms=-1 狀態下更亮。
優勢：
- 室溫操作：
- 一個顯著的優勢是，NV 中心可以在室溫下作為量子位元運行，電子自旋具有良好的相干時間（微秒），核自旋具有極長的相干時間（秒甚至幾分鐘）。
- 高靈敏度奈米感測器：
- NV 中心對磁場、電場、溫度和應變極為敏感，使其成為奈米級感測應用的絕佳選擇，也可用於量子位元控制和讀出。
- 固態平台：
- 固態系統為整合和設備製造提供了潛力。
- 存取核自旋量子位元：
- 附近的核自旋提供了可以與電子自旋量子位元耦合的強大、長壽命的量子記憶體。
挑戰：
- 多個 NV 中心的可擴展性和糾纏：
- 雖然單個 NV 中心非常穩健，但有效地糾纏多個空間分離的 NV 中心以建構大規模量子電腦是一項重大挑戰。
- 這通常依賴於光學糾纏方案，但效率可能很低。
- 製造和放置控制：
- 在金剛石中創建具有精確位置和一致特性的高品質 NV 中心非常困難。
- 光譜不均勻性：
- NV 中心局部環境的變化會導致其光學和自旋躍遷頻率的差異，因此很難用相同的控制場來解決這些問題。
- 光子收集效率低：
- 讀出過程中發射的光子的收集效率可能很低，從而影響讀出的保真度和速度。
- 有限的雙量子位元閘保真度（在遙遠的 NV 中心之間）：
- 實現不同 NV 中心之間的高保真度糾纏，尤其是遠距離糾纏，仍然是一個重大障礙。
金剛石氮空位量子運算涉及的技術公司如下：
- 量子鑽石技術公司（QDTI）：
- 雖然主要關注 NV 金剛石的感測應用（例如醫學成像、材料分析），但其基礎物理學和材料科學與量子運算相關。
- Element Six（戴比爾斯集團）：
- 領先的高品質合成金剛石材料供應商，包括專為 NV 中心應用而設計的材料。
- 他們在鑽石生長和缺陷工程方面取得的進步對該領域至關重要。
- 各種學術研究團體和小型新創企業：
- NV 中心量子運算的大部分前沿研究仍在大學和規模較小的專業公司中進行。
- 這些小組專注於展示高保真糾纏和小型多量子位元暫存器等基本建構模塊。
- 例如，哈佛大學、麻省理工學院和代爾夫特理工大學的團隊做出了重大貢獻。
可能發布的時間表
- 1-3 年：
- 繼續致力於提高 NV 中心的品質和糾纏遠程 NV 中心的效率。
- 開發具有高保真控制和讀出的小型多量子位元暫存器（幾個到幾十個量子位元）。
- 基於 NV 的量子感測器和中繼器的進步。
- 3-5 年：
- 展示更穩健、更具可擴展性的糾纏 NV 中心方法，可能透過改進的光子介面或混合系統實現。
- 基於 NV 中心的小型專用量子處理器或類比器的開發。
- 5-10 年：
- 由於其光學介面和室溫操作，NV 中心在分布式量子運算和量子網路中具有出色的潛力。
- 開發 NV 中心充當記憶體或感測器組件的混合量子系統。
- 與其他架構相比，純粹基於 NV 中心的大規模通用量子運算面臨著巨大的擴展挑戰，但在更大的量子系統中可能實現利基應用或角色。
未來展望
- 金剛石 NV 中心具有獨特的優勢，特別是室溫操作和相關核自旋的優異相干性，使其在量子感測和量子網路方面極具前景。
- 由於難以擴展遠距離 NV 中心之間的糾纏，他們實現大規模通用量子運算的道路更具挑戰性。
- 然而，人們正在進行研究以克服這些障礙，例如透過使用光子互連或將 NV 中心與其他量子系統耦合。
- 該領域的公司通常專注於量子運算和感測領域更直接的應用。
- Element Six 作為材料供應商發揮著至關重要的作用。
- NV 中心在運算領域的未來可能在於扮演特殊角色，例如量子互聯網中的節點或高度相干的儲存元件，而不是作為大規模量子處理器的唯一基礎。
- 感知能力已經十分強大，並且還在不斷增強。
拓撲量子位元
物理組件
- 拓撲量子運算是一種更具理論性和新興的方法。
- 拓撲量子位元的物理實現仍然是一個活躍的研究領域。
- 一個突出的候選者涉及創建和操縱馬約拉納零模式 (MZM)，它們是自身的反粒子準粒子，預計存在於某些一維拓撲超導線的末端或二維拓撲絕緣體/超導體異質結構中。
- 正在探索的物理系統包括在強磁場下塗有超導體（例如鋁）的半導體奈米線（例如砷化銦或銻化銦），以及分數量子霍爾系統。
工作原理
- 拓撲量子位元以非局部方式編碼量子資訊，使用系統的集體屬性而不是單個粒子的狀態。
- 例如，一對分離良好的 MZM 可以定義一個量子位元。
- 量子位元的狀態（0 或 1）由兩個 MZM 的組合費米子宇稱決定（無論它們被偶數個還是奇數個電子佔據）。
- 量子閘將透過在時空中物理編織這些馬約拉納準粒子的世界線來實現。
- 這種編織操作本質上對局部雜訊具有魯棒性，因為資訊是非本地儲存的。
- 讀出將涉及測量組合費米子宇稱，例如透過干涉測量實驗。
優勢：
- 固有容錯能力：
- 拓撲量子運算的主要動機是其預測的對局部雜訊和退相干的內在魯棒性。
- 由於量子資訊是非局部編碼的，因此局部擾動不會輕易破壞量子位元狀態。
- 這可以顯著減少量子糾錯所需的開銷。
- 簡化的量子糾錯：
- 如果物理量子位元已經受到高度保護，那麼對量子糾錯碼的要求可能會低得多。
挑戰：
- 馬約拉納零模式的確鑿實驗證據：
- 儘管進行了許多有希望的實驗，但要獲得普遍接受的、明確的證明，證明適用於量子位元操作的 MZM 的存在和可控操縱，一直極具挑戰性，並且是一個持續的科學爭論和撤回的主題。
- 製造複雜性：
- 建立預計將承載拓撲量子位元的奇異材料系統和奈米結構非常複雜，並且處於材料科學和奈米製造的前沿。
- 控制和編織準粒子：
- 開發精確控制和編織這些準粒子以執行量子閘的技術是一項艱鉅的實驗挑戰。
- 讀出：
- 開發可靠的方法來初始化和讀出拓撲量子位元的狀態。
拓撲量子運算涉及的技術公司包括如下：
- 微軟（Azure Quantum/Station Q）：
- 多年來一直是拓撲量子位元方法的主要支持者和投資者，建立專門的研究實驗室（Station Q）。
- 資助了預計將承載馬約拉納零模式的材料系統（例如具有超導體的半導體奈米線）的廣泛研究。
- 他們的研究產生了許多科學論文，但一些聲稱觀察到 MZM 的關鍵結果卻面臨審查和撤回，凸顯了這種方法的巨大難度。
- 微軟繼續追求這條道路，強調其長期容錯的潛力。
- 最近的研究主要集中於新材料平台和馬約拉納模式的替代特徵。
- 貝爾實驗室（諾基亞貝爾實驗室）：
- 在凝聚態物理學領域有著長期的開創性研究，並且還探索了拓撲量子運算的各個方面。
- 各學術研究團體：
- 世界各地的大學對拓撲量子位元進行了大量研究，重點關注基礎物理學、材料科學和新穎的設備概念。
- 主要機構包括尼爾斯玻爾研究所（哥本哈根大學）、代爾夫特理工大學（QuTech）、普渡大學等。
可能發布的時間表
- 1-3 年：
- 繼續深入研究，明確地展示和描述馬約拉納零模式（或其他合適的拓撲準粒子）及其非阿貝爾編織統計數據。
- 專注於提高材料品質和設備製造。
- 3-5 年：
- 如果獲得了確鑿的證據，下一步將是用一對拓撲量子位元來演示基本的量子位元操作（初始化、簡單閘的編織、讀出）。
- 這將是一個重大突破。
- 5-10 年：
- 小型多量子位元系統的開發和預測容錯能力的證明。
- 這個時間表具有高度推測性，並且主要取決於近期的根本性突破。
- 如果成功的話，拓撲量子位元在量子位元數量和系統複雜性方面趕上其他架構可能還需要很多年，但它們固有的容錯能力可以提供顯著的優勢。
未來展望
- 拓撲量子運算仍然是一項高風險、高回報的事業。
- 內置容錯功能的前景非常誘人，因為它可以避開其他架構面臨的許多複雜的糾錯挑戰。
- 然而，基礎物理學仍在建立中，並且對必要成分的確鑿實驗證明還難以實現。
- 微軟一直是主要的工業推動者，對這一長期願景投入了大量資金。
- 科學界仍然積極參與，探索新材料和實驗技術。
- 如果能夠克服基礎挑戰，拓撲量子運算可能會徹底改變該領域。
- 然而，它被廣泛認為是領先架構中距離實際實現最遠的。
- 未來十年的成功取決於基礎科學的突破。
- 即使完全容錯的拓撲量子位元需要更長的時間來開發，這項研究也正在突破凝聚態物理學和材料科學的界限，這可能會帶來其他發現。
- 這種方法的未來極不確定，但具有變革的潛力。
量子運算的分析與未來預測
量子運算領域是一個充滿活力且快速發展的領域，多種充滿前景的架構都在競相實現容錯量子運算的夢想。
從相對成熟的超導和捕獲離子系統到更新興的拓撲和金剛石 NV 中心平台，每種方法都具有獨特的優勢和艱鉅的挑戰。
在谷歌和 IBM 等科技巨頭的支持下，超導量子位元在規模化和特定任務的量子優勢方面取得了令人矚目的進展。其主要挑戰仍然是解決退相干問題並實現穩健的糾錯。
由 Quantinuum 和 IonQ 等公司倡導的離子阱技術擁有卓越的量子位元品質和相干性，但在閘速度和大型系統擴展方面面臨挑戰。
PsiQuantum 和 Xanadu 所追求的光子量子位元具有室溫操作（部分）和利用現有製造工藝的吸引力，但必須克服概率閘和光子損失。
中性原子，在 Pasqal/QuEra 和 Atom Computing 等公司的快速發展下，為大量相同的量子位元和強相互作用提供了可擴展性，但需要提高閘保真度。
以英特爾為主要參與者的矽自旋量子位元有望透過 CMOS 製造實現大規模可擴展性，但在製造可變性方面存在困難。
金剛石 NV 中心在室溫和感測方面表現出色，但將糾纏擴展到通用運算是一個重大障礙。
拓撲量子位元主要由微軟的長期願景驅動，提供了固有容錯的終極獎勵，但仍處於基礎科學論證的早期階段。
預測：未來是一場多面性的競賽
預計當前單一架構不太可能在短期內在所有方面或所有應用上都獲勝。容錯量子運算的競賽更像是一場包含多個階段的馬拉松：
最有可能取得早期商業/科學優勢如下：
- 超導量子位元和捕獲離子目前在量子位元數量、閘保真度和可用的程式設計工具方面處於最領先的地位。
- 他們很可能率先為特定的、商業相關的問題提供量子優勢，並展示早期的小規模容錯邏輯量子位元。
- 超導系統背後強大的工業支持和工程資源使其在快速擴展和系統整合方面略有優勢。
- 被捕獲的離子具有優異的相干性，在需要高精度控制的應用中表現出色。
大規模可擴展性的最高潛力：
- 矽自旋量子位元和光子量子位元具有利用現有高度成熟的半導體製造工藝的潛力，因此具有重大的長期前景。
- 如果可以克服自旋量子位元的製造可變性問題，或者光子方法可以掌握確定性操作並最大限度地減少規模損失，這些架構最終可以產生複雜、容錯量子電腦所需的數百萬個量子位元。
- PsiQuantum 與 GlobalFoundries 合作制定的光子學宏偉計畫就是這一擴展戰略的一個顯著例子。
具有變革潛力的黑馬：
- 拓撲量子位元雖然距離實際實現還有很長的路要走，但如果基礎科學障礙被掃除，它可能會改變遊戲規則。
- 它們固有的容錯能力將大大簡化大規模量子運算的途徑。
- 然而，這仍然是一個非常高風險的長期前景。
混合可能是未來
量子運算的未來也可能涉及結合不同架構優勢的混合系統。
例如，人們可能會設想高度相干的記憶體量子位元（如與 NV 中心或捕獲離子相關的核自旋）與更快的處理量子位元（如超導或矽自旋量子位元）相結合，或連接不同量子位元類型模組的光子互連。
結論
在未來五到十年內，超導量子位元和捕獲離子最有可能提供越來越強大的量子處理器，並展示容錯的初始階段。
它們擁有最成熟的生態系統以及大量的企業和學術投資。
但是，如果能夠克服各自的關鍵挑戰，矽自旋量子位元和光子學的可擴展性優勢將使它們成為長期的有力競爭者。
中性原子也在快速發展，並能提供量子位元數和相互作用控制之間的顯著平衡。
最終，「獲勝」的架構可能取決於具體的應用，並且多種類型的量子電腦可能會共存，每種類型的量子電腦都針對不同類別的問題進行最佳化。
旅程與目的地同樣重要，對量子運算的追求推動了物理學、材料科學和工程學的深刻進步。
未來十年，必將是這場量子革命中激動人心的創新和發現的新時期。
編輯：行動中的大雄
參考：
https://hackernoon.com/the-7-competitors-vying-for-the-ultimate-quantum-computing-architecture
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