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不只是超导芯片

人们一想到量子芯片,脑海里多半浮现的是一块冰冷的金属芯片——超导芯片。但那只是其中一个家族。工程师们还在用硅里的单个电子、用激光稳住的原子、用一颗颗光的粒子,造出量子比特。这趟温和的小游,会带你认识几种主要的类型、每一种各自擅长什么、又栽在哪里,以及——说句实话——为什么没有哪一种设计胜出。

造量子比特,不止一条路

大多数量子计算的新闻配图,拍的都是同一样东西:一座金光闪闪、由连线组成的「吊灯」,挂在一台高高的冰箱里,最底下藏着一小块金属芯片。那是一块超导芯片,也是最出名的那个家族。但出名,并不等于胜出。还有好几个研究团队,正用全然不同的材料和手法,奔着同一个目标——一个能用的量子比特——而去。与其把它想成一场有明确领跑者的赛跑,不如把它想成好几支队伍,沿着不同的路线,去爬同一座山。

在现阶段,值得认识的有四个家族。超导量子比特,是一个个微小的金属电路,被冷却到能毫无电阻地通电流。自旋量子比特——也叫硅基自旋——把量子比特存进一颗困在普通硅芯片里的单个电子。囚禁离子机器,用离子阱芯片把一个个带电的原子托住,让它们悬浮在真空中、就在芯片表面上方一点点。而光子方案,则用光子芯片,让量子比特化作一颗光的粒子,在玻璃里刻出的细小通道中滑行。(还有第五条路,中性原子,用交叉的激光束把整颗原子稳稳定住。)

并排比一比

并不存在一个单独「最好」的平台,因为每一种都在某些方面强、在另一些方面弱。对初学者来说,有几样品质最要紧。量子比特在忘掉自己之前,能记住状态多久?你能多地翻动它?要把许多个做得一样,有多容易?还有,它是非得冷得要命,还是能在暖一点的环境里运行?下面那张小图把这些排在一起——但请把它读成大致的倾向,而不是一张计分牌。

A beginner's rough side-by-side (tendencies, NOT a ranking):

  family          memory      speed     easy to     needs to
                  (holds      (flip     copy many   be very
                   state)      qubit)    the same?   cold?
  -------------   ---------   -------   ---------   ----------
  superconductng  short-ish    fast      okay        yes, ultra
  spin in silicon medium       fast      promising   yes, cold
  trapped ion     very long    slow      tricky      no (vacuum)
  photonic        n/a*         fast      okay        no (room T)

  * a photon flies past and is measured, not stored,
    so 'memory' is not really its game.

  Read across, not down: each row trades one virtue
  for another. No row is best at everything.
一张面向初学者的四个量子比特家族并排表。这些是宽泛的倾向,而非实测的分数——每一格背后都藏着真实的争论和飞快的进展。

把每一行横着读,权衡就跳了出来。囚禁离子能把状态守住长得惊人的一段时间,而且彼此之间几乎没有差别——但它们操作起来慢,要扩展也麻烦。超导芯片和自旋芯片又快、又能借用世界上现成的芯片工厂,可它们忘性大,还要求残酷的低温。光子在室温下嗖嗖地飞、永远用不着冰箱,但一颗光子不肯停下来等——它必须在飞行途中被逮住、被测量。每一个家族,都在某处为自己的天赋付了账。

为什么没人胜出——以及为什么这没关系

要是有哪个家族明显领先,事情会清爽得多,但说实话,没有。每一种都在不同的坐标轴上强,而一处的领先,往往伴随着另一处的弱点。记忆最长的那个平台,可能也是最慢的。最容易复制的那个,可能忘得最快。于是这张排行榜,会随着你那一周选择在意哪个数字,而不停地重新洗牌——这正是为什么谨慎的人,都不急着给谁加冕。

还有一件事值得把话说明白,它是这整条阶梯诚实的脊梁:无论你挑哪个家族,今天的机器都还很小,而且很。它们能用的量子比特,从寥寥几个到几百个不等,每个量子比特都会犯些小错、也很快就忘掉自己的状态。它们之中没有谁——金属的不行、硅的不行、悬浮原子的不行、光的也不行——能离取代你眼前这台笔记本有半点边。它们是大有可为的实验室仪器,而不是完工的计算机。

而下面是令人愉快的部分:手里同时握着好几条活生生的路线,是一种力量,而不是一团乱。每个家族都在教别的家族一些东西,而其中一种里的突破——一种更好的布线方式、一种更干净地造光的方法、一台能暖一点的冰箱——都可能荡漾着波及其余。所以,当你在这条阶梯接下来的部分里遇见「其他那些芯片」时,请用同样友善、平衡的好奇心去对待它们全部。赢家,如果真有的话,还没被定下来。