到 2023 年，量子计算的进步将超越对噪音的应对和解决。我们将更多地看到研究人员多年的辛勤工作结出果实，比如芯片之间的相互通信，以及整个领域变得越来越国际化。
多年来，新闻头条大多被创纪录的量子计算系统占据。谷歌和 IBM 的研究人员就谁取得了什么成就、以及努力是否值得发生了争执。
而在现在，关于谁拥有最大处理器的较量似乎已经过去：各家公司正在埋头工作，并为现实世界的部署做准备。突然间，大家都表现得像个大人了。
似乎是为了强调研究人员多么希望摆脱炒作，IBM 预计将在 2023 年发布一款处理器，该处理器将逆转增加量子比特的趋势。量子比特是量子计算机的处理单元，可以通过多种技术构建，包括超导电路、离子阱和光子。
IBM 长期以来一直走在超导量子比特的道路上。多年来，该公司一直在稳定增加芯片上的量子比特数量。例如，在 2021 年，IBM 推出了创纪录的拥有 127 个量子比特的芯片。2022 年 11 月，它推出了 433 量子比特的 Osprey 处理器。该公司的下一个目标是，在 2023 年发布有 1121 量子比特的处理器，名为 Condor。
但 IBM 在 2023 年也有望推出 Heron 处理器，该处理器只有 133 个量子比特。这看起来像是倒退，但该公司不断强调，Heron 的量子比特将具有最高的质量。
而且重要的是，每个芯片都将能直接连接到其他 Heron 处理器，预示着从单个量子计算芯片向由连接在一起的多个处理器构建的“模块化”量子计算机的转变，这一举措有望帮助量子计算机更好地扩大规模。
Heron，是量子计算行业发生大转变的信号。一些专家表示，由于最近的一些突破、野心勃勃的路线图和大量的投资，我们可能会比许多人预期的更早看到通用量子计算机。专家们认为，2023 年我们将在以下几个领域看到进展。
将量子计算机串在一起
IBM 的 Heron 项目只是进入模块化量子计算世界的第一步。这些芯片将与传统电子设备相连，因此当信息从一个处理器转移到另一个处理器时，它们将无法保持信息的“量子性”。
但是，我们希望这些芯片最终与支持量子技术的光纤或微波连接在一起，它们将为拥有多达一百万个连接的量子比特的分布式、大规模量子计算机开辟道路。
一百万，这可能是运行有用的纠错量子算法所需要的数量。“我们需要在规模和成本上都能扩展的技术，因此模块化是关键，”IBM 量子硬件系统开发总监杰瑞·周（Jerry Chow）说。
其他公司也开始了类似的实验，PsiQuantum 的首席科学官彼得·沙博尔特（Peter Shadbolt）说：“将东西连接在一起突然成为一个大热门。”PsiQuantum 使用光子作为其量子比特，其正在对基于硅的模块化芯片进行最后的雕琢。沙博尔特表示，它需要的最后一部分是极快的、低损耗的光开关，有望在 2023 年底得到全面展示。
“这将为我们提供一个功能齐全的芯片，”他说，“然后就可以开始仓库规模的建设，我们将把我们正在制造的所有硅芯片组装在一起，形成一个建筑规模的、高性能的、类似计算机的系统。”
量子技术公司 SandboxAQ 自 2022 年从 Alphabet 剥离出来，它的 CEO 杰克·希达里（Jack Hidary）表示，在处理器之间传递量子比特的想法，意味着一种被忽视的量子技术现在将脱颖而出。他说，量子通信将在 2023 年成为量子计算故事的重要组成部分，相干量子比特可以在长达数百公里的距离内传输。
“扩展量子计算的唯一途径是，创建几千个量子比特的模块并将它们连接起来，以获得连贯的连接，”希达里告诉《麻省理工科技评论》，“这可能在同一个房间里，但也可能跨校园或城市。我们在经典场景中知道了分布式计算的力量，但对于量子我们必须有连贯的链路：要么是带有量子中继器的光纤网络，要么是一些连接到地面站和卫星网络的光纤。”
近年来，许多类似的通信组件已经得到展示。例如在 2017 年，中国的墨子号卫星表明，相隔 1200 公里的节点之间可以实现相干量子通信。2022 年 3 月，一个由学术界和工业界研究人员组成的国际小组展示了一种量子中继器，它可以在 600 公里的光纤中有效地中继量子信息。
接受噪音
量子计算行业在试图连接量子比特的同时，也在背离过去五年最盛行的一个想法——只有几百个量子比特的芯片也有可能进行有用的计算，即使噪音很容易扰乱它们的运作。
这种被称为“含噪中等规模量子（NISQ，noisy intermediate-scale quantum）”的概念，本来是一种从量子计算中取得短期优势的方法。因为，这可能比实现具有数十万个用于纠错的量子比特的大规模量子计算机要容易。
但整个行业对 NISQ 的乐观情绪似乎正在消退，总部位于新加坡的 Horizon Quantum Computing CEO 乔·菲茨西蒙斯（Joe Fitzsimons）表示：“曾经我们希望在进行任何错误纠正之前，这些计算机可以很好地使用，但现在重点正在转移。”
一些公司瞄准了经典的纠错形式，使用一些量子比特来纠正其他量子比特的错误。此前，谷歌 Quantum AI 和 Quantinuum 公司（由霍尼韦尔和 Cambridge Quantum Computing 组建的新公司）都发表了论文，证明量子比特可以组装成优于底层物理量子比特的纠错集合。
其他团队正在尝试看看他们是否可以找到一种方法，让量子计算机在没有太多开销的情况下“容错”。例如，IBM 一直在探索表征其机器中引起错误的噪音，然后以某种方式进行编程以去除噪音（类似于降噪耳机的工作原理）。这远非一个完美的系统——该算法是根据对可能发生的噪音的预测而不是实际出现的噪音来工作的，但它的表现还不错。周说：“我们可以构建纠错代码，资源成本要低得多，这使得纠错在短期内变得可行。”
总部位于马里兰州的 IonQ 正在构建离子阱量子计算机，IonQ 的首席科学家克里斯·孟瑞（Chris Monroe）说：“我们的大部分错误都是我们在操作离子和运行程序时造成的。这种噪音是众所周知的，不同类型的缓解措施使我们能够真正进步。”
认真对待软件
在硬件有所进步的同时，许多研究人员认为还需要更多地关注软件和编程。“与我们未来 10 年需要的工具相比，我们的工具箱肯定是有限的，”位于波士顿的量子软件公司 Zapata Computing 的软件工程师迈克尔·施泰克利（Michal Stechly）说道。
代码在云端量子计算机上运行的方式通常是“基于电路的”，这意味着在进行最终量子测量并给出输出之前，数据会经过一系列特定的、预定义的量子操作。
菲茨西蒙斯认为，这对算法设计者来说是个大问题。传统的编程例程往往涉及到一些步骤的循环，直到得到所需的输出，然后进入另一个子例程。在基于电路的量子计算中，得到输出通常意味着计算结束，不存在再次循环的选项。
Horizon Quantum Computing 是通过构建编程工具以支持这些灵活计算例程的公司之一。菲茨西蒙斯说：“就可以运行的程序而言，这会让你见识到一个不同的领域，我们将在 2023 年开始推出抢先体验。”
位于赫尔辛基的 Algorithmiq 也在编程领域进行创新。“我们需要非标准框架来对当前的量子设备进行编程，”CEO 萨布丽娜·马尼斯卡尔科（Sabrina Maniscalco）说。Algorithmiq 新推出的药物发现平台 Aurora，将量子计算的结果与经典算法相结合。这种“混合”量子计算是一个不断发展的领域，它被广泛认为是该领域可能长期发挥作用的方式。该公司表示，它希望在 2023 年实现有用的量子优势，证明量子系统可以在现实世界的相关计算中胜过经典计算机。
全球竞争
在全球范围内，关于量子计算的政策也可能会发生变化。美国负责工业和安全的商务部副部长艾伦·埃斯特维兹（Alan Estevez）曾暗示，围绕量子技术的贸易限制即将到来。
Quantinuum 的 CEO 托尼·厄特利（Tony Uttley）表示，他正在与美国政府积极对话，以确保在限制这个仍处于发展初期的年轻行业时，不会产生一些不利影响。“我们系统中大约 80% 的组件或子系统是从美国以外的地方购买的，”他说，“对他们施加控制无济于事，（但）我们不想在与世界其他国家的公司竞争中让自己处于劣势。”
2022 年，百度公司开放了一个 10 超导量子比特处理器的使用权，它希望这可以推动研究人员将量子计算应用于材料设计和药物开发等领域。该公司表示，它最近完成了 36 量子比特超导量子芯片的设计。“百度将继续在量子软硬件集成方面取得突破，促进量子计算的产业化，”该公司发言人告诉《麻省理工科技评论》。科技巨头阿里巴巴也有研究人员致力于使用超导量子比特进行量子计算。
在日本，富士通正与 Riken 研究所合作，在 2023 年 4 月开始的新财年提供日本第一台国产量子计算机的使用权。它将拥有 64 个超导量子比特。“最初的重点将放在材料开发、药物发现和金融方面的应用，”富士通研究院量子实验室负责人佐藤真太郎（Shintaro Sato）说。
然而，并不是每个国家都将遵循成熟的超导路径。2020 年，印度政府承诺在量子技术上投入 800 亿卢比（当时约合 11.2 亿美元）。很大一部分将用于光子技术，即基于卫星的量子通信，以及创新的“qudit”光子计算。
Qudits 扩展了量子比特的数据编码范围，它们提供三个、四个或更多维度，而不是传统二进制的 0 和 1，同时不会增加错误出现的范围。
“这个工作方向，将使我们能够创造一个利基市场，而不是与其他地方已经进行了几十年的工作竞争，”位于印度班加罗尔的拉曼研究所的量子信息和计算实验室负责人乌巴西·辛哈（Urbasi Sinha）说道。
尽管各个国家对量子计算越来越重视，竞争也变得越来越大。但目前在很大程度上，量子技术仍然需要协作。“这个领域的好处是竞争非常激烈，但我们都认识到这是必要的，”孟瑞说，“我们没有零和博弈的心态：有不同的技术，不同的成熟度，我们现在齐头并进。在未来的某个时候，就会出现某种整合，但现在时间还没到。”
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原文：
https://www.technologyreview.com/2023/01/06/1066317/whats-next-for-quantum-computing/
