9月，一個周日的下午，量子計算創(chuàng)業(yè)公司ionQ的兩位聯(lián)合創(chuàng)始人正和他們的首位受雇人——他們的新CEO碰頭開戰(zhàn)略會議。坐在馬里蘭大學(xué)的Physical Sciences Complex里舒適的皮椅上，兩位創(chuàng)始人正體驗著一絲文化碰撞。終身從事研究的科學(xué)家、馬里蘭大學(xué)的物理學(xué)家Chris Monroe和杜克大學(xué)的電子工程師Jungsan Kim很放松，甚至在記者面前大談公司規(guī)劃。他們列舉了為什么選擇束縛離子（trapped ions），他們的專長將有助于打造一臺偉大的量子計算機(jī)——完美的再現(xiàn)性、耐久性以及利用激光實現(xiàn)的良好的可控性。

公司CEO David Moehring是Monroe和Kim剛從美國Intelligence Advanced Research Projects Activity（IARPA）里雇來的，他更為警覺。他警告Monroe和Kim不要泄露創(chuàng)業(yè)公司應(yīng)予保密的信息——包括從風(fēng)投New Enterprise Associates那里獲得的投資額。（他樂意證實這個數(shù)字是幾百萬美元。）Kim對Moehring點著頭并輕笑。“在某個時點，這個家伙會要求我們的談話經(jīng)過他的許可。”

這幾個看似不可能的合伙人都有一個共同的確信：量子計算——旨在利用量子力學(xué)來大幅加速計算——已經(jīng)準(zhǔn)備迎來黃金時期。他們并非孤軍奮戰(zhàn)。科技巨頭英特爾、微軟、IBM和谷歌正在量子計算上投入數(shù)千萬美元。然而這些競爭者們正將賭注下在不同的技術(shù)黑馬上：仍然無人知曉驅(qū)動一臺實用的量子計算機(jī)需要什么類型的量子比特（qubit）。

谷歌常常被視為這一領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊，該公司已經(jīng)示意了其選擇：微型超導(dǎo)電路。其研究團(tuán)隊已經(jīng)打造出了一臺9量子比特的機(jī)器，并希望一年內(nèi)擴(kuò)展至49量子比特——這是一個非常重要的門檻。在50量子比特階段，許多人認(rèn)為一臺量子計算機(jī)就可以成為“量子霸權(quán)（quantum supremacy）”，這是加州理工的物理學(xué)家John Preskill創(chuàng)造的詞匯以表示一臺可以完成超越傳統(tǒng)計算機(jī)范圍的任務(wù)的量子計算機(jī)，比如模擬化學(xué)和材料科學(xué)中的分子結(jié)構(gòu)，或解決機(jī)器學(xué)習(xí)或密碼學(xué)中的某些問題。

ionQ的團(tuán)隊并沒有被谷歌的成功所折服。

“我并不擔(dān)心谷歌會在下個月宣布游戲已經(jīng)結(jié)束，”Kim說，“或者他們可以這么宣布，但游戲并未結(jié)束。”

雖然這么說，但是ionQ還是有很多劣勢，他們還沒有專門的辦公室，甚至還沒有網(wǎng)站。這家創(chuàng)業(yè)公司仍然在堅持束縛離子（trapped ions），這也是世界上最早的量子邏輯門背后的技術(shù)，這是由Monroe本人在1995年親自幫助創(chuàng)造出來的。使用精準(zhǔn)調(diào)制的激光脈沖，Monroe可以將離子激發(fā)到可以維持?jǐn)?shù)秒的量子態(tài)——這可比谷歌的量子比特維持的時間長多了。Kim已經(jīng)開發(fā)出了一個可以將離子群（groups of ions）連接到一起的模塊化方案。但是到目前為止，其中最好的成績也不過是實現(xiàn)了5個量子比特的可編程機(jī)器。

“束縛離子現(xiàn)在確實有點怪物（black sheep）的感覺，”Monroe承認(rèn)：“但我認(rèn)為未來幾年人們會蜂擁而至。”

有一件事是確定無疑的：打造出一臺量子計算機(jī)已經(jīng)不再是一些大學(xué)科學(xué)家的遙遠(yuǎn)夢想了，現(xiàn)在這已經(jīng)成了世界上一些最大型的公司的直接目標(biāo)。而且Monroe及其同事也只是那些希望從中獲利的許多人的一部分。盡管在產(chǎn)業(yè)界玩家方面，超導(dǎo)量子比特可能已經(jīng)獲得了領(lǐng)先的發(fā)展勢頭，但相關(guān)專家都認(rèn)為現(xiàn)在要說哪種技術(shù)已經(jīng)獲勝還為時尚早。“這些技術(shù)在齊頭并進(jìn)地開發(fā)著，這是件好事，”加州理工的這位量子信息科學(xué)的非官方院長Preskill說，“因為還可能會有驚喜出現(xiàn)而改變現(xiàn)在的局面。”

在開發(fā)量子計算機(jī)的競爭中，不同的公司看中了不同的量子比特（qubit），其中每一種技術(shù)都有自己的優(yōu)點和缺點。（制圖：C. Bickel/Science，數(shù)據(jù)：Gabriel Popkin，漢化：機(jī)器之心）

量子比特能秒殺傳統(tǒng)計算機(jī)比特得益于兩個獨(dú)特的量子效應(yīng)：量子疊加和量子糾纏。量子疊加能夠讓一個量子比特的值不單止于0或者1，而是在同一時間同時具備這兩種狀態(tài)，這可以實現(xiàn)同步的計算。量子糾纏能讓一個量子比特與空間上獨(dú)立的其他量子比特共享自身狀態(tài)，創(chuàng)造出一種超級疊加，每個量子比特的處理能力因此翻倍。比如，5個糾纏的量子比特能夠同時執(zhí)行25或32個計算操作，而傳統(tǒng)算機(jī)不得不按順序進(jìn)行32次計算。理論上，只要300全糾纏的量子比特（fully entangled qubits）就能支持比宇宙中原子數(shù)量更多的平行計算，

這種大規(guī)模并行可能在很多任務(wù)上并沒有什么價值——沒有人認(rèn)為量子計算機(jī)會革命文字處理或電子郵件。但其可以極大地加速被設(shè)計用來同時探索大量不同路徑的算法，這能夠解決的問題包括：通過大數(shù)據(jù)進(jìn)行搜索、發(fā)現(xiàn)新型的化學(xué)催化劑、對用于加密數(shù)據(jù)的大數(shù)進(jìn)行因數(shù)分解。量子計算機(jī)也可以在物理學(xué)領(lǐng)域被用來模擬黑洞或其它現(xiàn)象。

但是，我們還有很多的工作要做。量子疊加態(tài)和糾纏態(tài)是非常脆弱的。一點來自環(huán)境的輕微擾動就能將其破環(huán)——甚至對其進(jìn)行觀測就會破壞其狀態(tài)。量子計算機(jī)需要被保護(hù)起來，以免受耶魯大學(xué)物理學(xué)家Robert Schoelkopf所說的“經(jīng)典混沌之海（a sea of classical chaos）”的干擾。

雖然相關(guān)理論在20世紀(jì)80年代初就開始萌芽，但實驗量子計算直到1995年才得以發(fā)展。1995年，新澤西州Murray Hill貝爾實驗室一位名叫Peter Shor的數(shù)學(xué)家證明了運(yùn)用量子計算機(jī)能有效地進(jìn)行大數(shù)的因式分解，這種能力使得現(xiàn)代密碼學(xué)在量子計算機(jī)面前變得不堪一擊。Shor和其他一些學(xué)者也證明，從理論上來說通過鄰近的量子比特來糾正錯誤，一直保持脆弱量子比特的穩(wěn)定性是可能實現(xiàn)的。

突然間，一些物理學(xué)家和他們的資助人出于某種具體的原因也都開始去研發(fā)量子計算機(jī)，并且表明這個機(jī)器不會變成一大堆級聯(lián)錯誤。David Wineland是美國科羅拉多州博爾德國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所（NIST）的一位物理學(xué)家，曾經(jīng)獲得過諾貝爾獎，他率先提出了激光冷卻離子并控制其內(nèi)部量子態(tài)的方法。在Shor的研究發(fā)布之后不到一年的時間里，Wineland和當(dāng)時NIST的另外一位科學(xué)家 Monroe就通過用激光控制鈹離子中的電子態(tài)的方法，建立了第一個量子機(jī)制邏輯門（quantum mechanical logic gate）。Monroe說，正是因為Wineland在離子方面的研究，我們才能在早期的量子計算實驗當(dāng)中就把握領(lǐng)先趨勢。

我們總是愛開玩笑說，等到我們有了量子計算機(jī)，我們就用它設(shè)計下一臺量子計算機(jī)。——Krysta Svore，微軟研究員

隨著世界各地政府將大把研究經(jīng)費(fèi)投向量子物理研究團(tuán)體，其他的一些類型的量子比特開始出現(xiàn)了。21世紀(jì)初，束縛離子（trapped ion）的概念受到了另一個新概念的挑戰(zhàn)：由超導(dǎo)體制成的回路，所使用的超導(dǎo)體是一種帶有振蕩電路的金屬材料，其在冷卻到接近絕對零點時沒有電阻。量子比特的0和1與不同的電流強(qiáng)度相對應(yīng)。回路通過肉眼便可以觀察，不需要用到激光，用簡單的微波電子技術(shù)就可以控制，制作過程只需要使用常規(guī)的計算機(jī)芯片制造技術(shù)。此外，回路的運(yùn)行也非常快。

但是超導(dǎo)體有一個致命的弱點：環(huán)境噪音，即使是用來控制它們的電子設(shè)備，都能在不到一微秒的時間之內(nèi)打亂其量子疊加態(tài)。但是工程技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)將回路的穩(wěn)定性提高了至少一百萬倍，所以現(xiàn)在它們保持疊加態(tài)的時間可以達(dá)到幾十微秒，雖然維持時間仍然比離子要短得多。

2007年，加拿大本那比市的一家創(chuàng)業(yè)公司D-Wave Systems發(fā)布了一則讓所有人都為之震驚的消息，它宣布研制成功了16個量子比特的超導(dǎo)量子計算機(jī)。D-Wave研制的這臺機(jī)器并沒有糾纏所有的量子比特，在編程時也不能一個量子比特一個量子比特地進(jìn)行。該計算機(jī)所依賴的是一種叫做量子退火（quantum annealing）的技術(shù)，在這種技術(shù)當(dāng)中，量子比特可以和鄰近的量子比特糾纏，交互產(chǎn)生一個單獨(dú)的整體量子態(tài)，而不是一系列并行計算。D-Wave的開發(fā)者希望能夠把復(fù)雜的數(shù)學(xué)問題映射到量子態(tài)當(dāng)中，并運(yùn)用量子效應(yīng)來找到最小值。這種技術(shù)很有前景，可有望用于解決高效航空交通路徑規(guī)劃等最佳化問題。

但批評聲接踵而至：D-Wave甚至沒有嘗試解決那些對量子計算來說至關(guān)重要的問題，例如糾錯。但是各大公司仍對這種設(shè)備趨之若鶩，谷歌和洛克希德馬丁公司都成為了D-Wave的客戶。一個暫時的共識形成了：它可以進(jìn)行一些量子計算，對于某些特殊任務(wù)，它可能比常規(guī)計算機(jī)處理得更快。無論量子與否，D-Wave讓一些公司開始展開思路。“它讓我們睜開了雙眼，”Monroe說道：“D-Wave的出現(xiàn)預(yù)示著這個市場正在形成，對于此類設(shè)備的需求已經(jīng)出現(xiàn)。”在不久的將來，越來越多的公司就會在量子計算之上開展自己的業(yè)務(wù)。

在對未來量子計算的賭局中，英特爾押上了最重的籌碼，它在2015年宣布，將對源自荷蘭Delft科技大學(xué)的一家公司QuTech投入5000萬美元的研究資金。這一公司致力于開發(fā)硅量子點（silicon quantum dots）研究，它也經(jīng)常被稱為“人工原子（artificial atoms）”。每個點量子比特是一塊小材料，其中結(jié)構(gòu)就像原子一樣，電子的量子態(tài)可以用來表示0和1。不同于離子或原子，量子點不需要用激光。

早期的實驗中，量子點由砷化鎵的近乎完美的晶體制成，但是研究人員目前已經(jīng)轉(zhuǎn)向使用硅，并希望利用上半導(dǎo)體工業(yè)現(xiàn)成的大量制造設(shè)施。“我認(rèn)為英特爾的心臟是由硅組成的，”QuTech的科學(xué)總監(jiān) Leo Kouwenhoven說道。“這就是為什么他們擁有如此地位的原因。”然而，硅基量子比特的效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及那些基于離子和超導(dǎo)體的競爭者，其第一個雙量子比特邏輯門直到去年才由澳大利亞新南威爾士大學(xué)的研究者開發(fā)出來。

微軟的行動看起來更加有遠(yuǎn)見：基于非阿貝爾任意子（nonabelian anyons）的拓?fù)淞孔颖忍兀╰opological qubits）。這根本不是物體——它們是準(zhǔn)粒子，沿著兩種不同的材料的結(jié)合處運(yùn)動——它們的量子態(tài)在其運(yùn)行的不同路徑中被編碼。因為運(yùn)行路徑的交匯導(dǎo)致了量子比特的疊加，所以它們會被“拓?fù)浔Ｗo(hù)（topologically protected）”免于塌縮，就像系好的鞋帶，即使在運(yùn)動中也不會松開。

這種性質(zhì)意味著理論上，拓?fù)淞孔佑嬎銠C(jī)不需要將大量的量子比特用在糾錯上。早在2005年，一個微軟領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊提出了一種在混合半導(dǎo)體——超導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中建立拓?fù)浔Ｗo(hù)——的量子比特的方法，近年來微軟已經(jīng)資助了多個研究團(tuán)隊試圖制造這樣的機(jī)器。這些團(tuán)隊的最新論文和貝爾實驗室的一項獨(dú)立研究展示了這種任意子（anyon）在特定電路中的運(yùn)動方式，科學(xué)家們正在接近制出真正的量子比特，Preskill表示：“我認(rèn)為再過一兩年，我們就可以肯定地說：拓?fù)淞孔颖忍厥谴嬖诘摹?rdquo;

而谷歌已經(jīng)招募到了加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校（UCSB）的超導(dǎo)量子比特專家 John Martinis。在UCSB的時候，John Martinis深入研究了D-Wave系統(tǒng)的運(yùn)行方式和短板。谷歌在2014年幾乎將Martinis的整個研究組都挖過去了，招募了組內(nèi)的12名成員。之后不久，Martinis團(tuán)隊就宣布他們構(gòu)造出了一個9量子比特的量子計算機(jī)。他們所構(gòu)建的這個擁有9量子比特的量子計算機(jī)至今為止依然是最大的可編程的量子計算機(jī)之一，目前他們正在研究如何對其進(jìn)行擴(kuò)展。為了避免所建的量子計算機(jī)是一堆雜亂線路的混合體，他們重新將該量子計算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)建成了一個二維的陣列，該陣列位于一塊蝕刻有控制線的晶圓之上。

在7月，Martinis的團(tuán)隊用3個超導(dǎo)量子比特成功地模仿了一個氫分子的基態(tài)能，證明量子計算機(jī)和常規(guī)計算機(jī)一樣具備模擬簡單量子系統(tǒng)的能力。Martinis說這個結(jié)果將大家引入對擁有量子計算超能力的機(jī)器的無限憧憬之中，他的團(tuán)隊現(xiàn)在也有科學(xué)家和工程師近30人。他將一年之內(nèi)構(gòu)建出一個49量子位的量子計算機(jī)的任務(wù)視為一個“不容易實現(xiàn)的目標(biāo)”，但是他認(rèn)為這個任務(wù)還是可能實現(xiàn)的。

與此同時，Monroe正在和束縛離子研究中遇到的挑戰(zhàn)“纏斗”。束縛離子的量子比特可以維持?jǐn)?shù)秒的穩(wěn)定，這一特性得益于真空腔和電極的作用，它們可以在外部噪聲存在的情況下維持量子比特的穩(wěn)定。但是通過真空腔將量子比特隔離后會遇到另一個問題：怎么使量子比特之間相互作用？Monroe最近成功將22個鐿離子糾纏成了一個直線鏈（linear chain），但是目前他還不能夠控制或查詢該鏈之中的所有離子對——而這正是量子計算機(jī)所需要的。

當(dāng)離子數(shù)目變成以前的平方倍的時候，控制總體的復(fù)雜度會增加，因此加入更多的離子是不實際的。Monroe相信前進(jìn)的辦法就是模塊化并使用光纖連接不同的量子阱（traps），每個量子阱（traps）里大約有20個離子。如此一來，每個模塊里的某些量子比特就可以充當(dāng)樞紐核心，獲取來自量子比特其他部分的信息，同時也可以與其他模塊的核心進(jìn)行信息分享；通過這種方式，絕大部分量子比特能夠繼續(xù)避開外部干涉。

最近一個下午，Monroe在馬里蘭大學(xué)展出了他的6個實驗室空間。在建成比較久的3個實驗室，從上到下都是互相纏繞的電線和真空管。在一個巨型工作臺上，迷陣般排列的透視鏡和平面鏡形塑著激光，并引導(dǎo)激光到達(dá)（裝有所有重要的原子）鋼制真空罐罐口。頭頂上的加熱設(shè)備，保持良好的通風(fēng)以及使用空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)（HAVC）是使灰塵降落的必備條件。同時HAVC也是穩(wěn)定實驗室溫度的有效措施，雖然HAVC會產(chǎn)生持續(xù)的嗡嗡聲。“我對HVAC充滿愛意。”Monroe說道。

這三個更新的實驗室相比之下顯得整潔和空曠。大多數(shù)激光都是集成的，而不是像魯貝戈德堡光學(xué)桌（Rube Goldberg optics tables）那樣，它們是來自諸如Honeywell這樣公司的即插即用型組件——針對各種可立即啟用系統(tǒng)（turnkey system) 的原型，如果ionQ想要成功就要完善它們。Monroe說：“我們現(xiàn)在用的激光只有一個旋鈕，它是‘開著（on）’的”。他心癢難耐地想讓ionQ實驗室運(yùn)轉(zhuǎn)起來，這樣他就可以將高薪的研究科學(xué)家轉(zhuǎn)移到ionQ工作中，并能讓他們繼續(xù)完善在馬里蘭大學(xué)已經(jīng)開發(fā)出的技術(shù)——多虧一個不尋常的協(xié)議，ionQ可以進(jìn)行獨(dú)家授權(quán)并免稅。明年，他將在第一次休假期間重點建設(shè)ionQ。他說：“流入量子研究的私人投資是我職業(yè)生涯中最大的一筆交易。”

即使有大量資金的投入，量子計算成為一個秘密商業(yè)領(lǐng)域還有很長的路要走。主要的研究小組，甚至是那些隸屬大公司的仍然在展示成果和出席討論會。還說他們在宣傳技術(shù)進(jìn)步方面有共同的利益，不僅僅是讓潛在客戶想到他們可以如何使用一臺量子計算機(jī)。Monroe說：“我們都需要一個市場。”

更重要的是，沒有人足夠了解量子計算，所以也就沒人能說用單獨(dú)的哪一種量子比特就能實現(xiàn)量子計算機(jī)。在擴(kuò)展實用的量子計算機(jī)之前，每一種方面都還需要經(jīng)過精心的調(diào)制細(xì)化。超導(dǎo)基量子比特（Superconductor-based qubits）和硅基量子比特（silicon-based qubits）需要在更大的一致性（consistency）下制造，而冷卻設(shè)備需要高效化。同時束縛離子需要更快的邏輯門和更緊湊的激光與光學(xué)器件。拓?fù)淞孔游灰策€需要被創(chuàng)造。

未來的量子計算機(jī)很可能是一個混合物（hybrid），它利用超快的超導(dǎo)量子比特運(yùn)行算法，然后用更穩(wěn)定的離子內(nèi)存輸出，同時使用光子在該機(jī)器的不同部分之間或量子網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間穿梭傳遞信息。微軟研究人員Krysta Svore說：“可以想象我們會身處這樣一個境地：有幾類量子比特，它們各自扮演不同角色。”

量子計算機(jī)實在是太前沿、太奇異了，即使是世界頂級量子物理學(xué)家和計算機(jī)工程師也不知道一臺商用量子計算機(jī)最終會是什么樣。Svore說：“物理學(xué)家只需要以目前的技術(shù)構(gòu)建盡可能復(fù)雜的計算機(jī)，接著直面一定會冒出來的新挑戰(zhàn)——然后構(gòu)建，學(xué)習(xí)，再重復(fù)。我們喜歡開玩笑說一旦我們有了量子計算機(jī)，我們將會用它來設(shè)計下一個量子計算機(jī)。”