由硅制成的量子計算機能夠利用大規模制造技術，更簡單方便地制造出商用設備。

圖片來源：《自然》雜志官網

量子計算機由于強大的計算潛能和由此獲得的廣泛用途而“引無數英雄競折腰”。在這個群雄爭霸的量子計算機戰國時代，各路英豪各出奇招，提出了不同的量子計算機物理體系，比如采用囚禁離子、超導等，這些方法可謂“春蘭秋菊，各有勝場”。

而另一種比較低調的方法——用硅制造量子計算機，隨著材料科學和工程學領域的不斷進步，逐漸獲得很多科學家的青睞。據英國《自然》雜志近日報道，半導體巨頭英特爾公司已經研制出了首臺采用傳統計算機硅芯片制造技術的量子計算機。業內人士認為，用硅制造量子計算機意味著可以利用成熟的大規模制造技術，更容易地制造商用設備。

當然，也有不少專家指出，距離真正研制出實用的硅量子計算機，還需時日。

硅量子技術春天到來

目前，許多實驗室已經開發出了量子計算機原型，但它們通常要在接近絕對零度的溫度下工作。這場計算競賽中的領跑者通常使用下列兩種方法之一來編碼量子位：利用被囚禁在勢阱中的單離子，或利用在超導回路中振蕩的電流。但這兩種系統都需要精準控制：離子技術使用復雜的激光系統來讀寫每個量子位，超導量子位則必須各有一個裝置來用無線電波控制它們。

而硅技術的擁躉看到了使用半導體來編碼量子位的巨大優勢。比如，這樣的量子位可以更簡單地利用蝕刻在芯片上的微型電線來操控；另外，如果傳統芯片的大規模制造技術可應用到量子領域，那么技術轉化為商用產品將會變得更容易。

上海交通大學教授金賢敏對科技日報記者說：“采用硅晶體管開發量子位，還有一個原因在于，相對于超導材料，硅量子位的可靠性更高。谷歌研究員此前曾發布論文指出，目前所有的量子位都容易出錯，因為它們使用的量子效應非常脆弱，即使對設備的噪音加以控制，也能在遠不足一微秒的瞬間擾亂量子疊加。”

現在，首臺采用傳統計算機硅芯片制造技術的量子計算機已由英特爾公司研制成功，并交付給了合作伙伴——位于荷蘭代爾夫特理工大學的研究機構。英特爾的這臺低調設備或許就像一朵羞答答的迎春花，昭示硅量子技術春天的到來。

一些科學家也表示，在“硅路線”上看到了希望。澳大利亞新南威爾士大學米歇爾·西蒙斯的團隊也在開發用硅制造量子計算機的方法。去年5月，西蒙斯創辦了初創企業“硅量子計算”，澳大利亞政府提供了資金支持。

商用前途漫漫仍可期

其實，用硅制造量子計算機的想法并不新鮮。早在20年前，美國馬里蘭大學帕克分校的實驗物理學家布魯斯·凱恩，就率先建議利用嵌入硅的磷原子核的磁向（自旋）來編碼量子位。與此同時，IBM的理論物理學家戴維·文森佐和瑞士巴塞爾大學的丹尼爾·魯斯，也提出了一種用半導體內部移動電子的自旋來存儲信息的方法。

有不少研究人員針對這兩項建議進行了實驗性探索，但正如普林斯頓大學物理學家杰森·佩塔所說，囿于相關材料科學和工程領域多年來進展緩慢，硅量子計算機領域鮮有重大突破。

鑒于此，近年來，西蒙斯擔任“掌門人”的新南威爾士大學量子計算和通信技術中心做了大量基礎工作，他們開發了一種只需要極少控制導線的制造技術，可避免量子設備擴大后不可避免的擁擠問題。無獨有偶，2017年，佩塔和代爾夫特大學的利芬·萬德斯潘分別領導的團隊均獲得了里程碑式進展——他們設計出了第一個完全可控的雙量子位硅元器件。

10年間，英特爾公司已在代爾夫特累計投資5000萬美元，目前，該公司正為萬德斯潘研制多量子位電子自旋設備。英特爾量子硬件開發負責人詹姆斯·克拉克說：“我們希望通過加速自旋量子位來與更成熟的方法競爭。”

西蒙斯計劃在5年內建造一臺10個硅量子位的計算機。谷歌、IBM等公司則“押寶”其他技術，試圖構建出約有50個超導量子位的計算機；英特爾也在朝這個方向進發，但它同時投資了硅量子計算機技術，希望通過廣撒網，最終在量子計算機競爭中拔得頭籌。

金賢敏也對科技日報記者表示：“即使超導量子比特風頭正勁，似乎更有希望，但其實其錯誤率等問題仍然很大，前景不容樂觀。盡管硅量子計算目前能實現的量子位數最少，量子門實現的時間最晚，但成熟的硅基工藝卻為未來的成長潛力提供了很大的想象空間。”

量子計算的黃金時代即將到來，它將為運算帶來指數級加速，但無人知曉，最終哪種量子位能脫穎而出，助人類研制出最強大的實用型量子計算機，只有時間能告訴我們答案，讓我們拭目以待。