本文翻译自《科学美国人》，原文标题为：Quantum Computers Compete for "Supremacy"，已获中文版授权。
长期以来，科学家一直都在致力于量子计算机的研究。所谓“量子计算机”，就是能够依靠神秘的物理学法则，执行远远超出当今最强大超级计算机能力范围的任务的机器。
从理论上来说，这种机器能够构建远超标准计算机的数学模型，因此能够大幅提升天气预报、金融市场预测的范围和精度，应用到诸多领域。这种机器能够模拟光合作用等物理过程，因此有助于开拓绿色能源的新领域。
量子计算还会推动人工智能迈上一个非常高的台阶：IBM 的 Waton 已经在知名的电视智力竞赛节目 Jeopardy! 大放异彩，而且能够应用于一些医疗诊断。我们可以想象一下，如果出现更智能的 Watson 版本，情况将会怎样？
不过，若要实现这些愿景，科学家们就必须首先构建出不仅仅能执行一些简单运算的量子计算机。到目前为止，该领域已经取得了一定的进展；今年 5 月份，IBM 推出了目前为止最为复杂的量子系统，而谷歌也表示他们有望在今年年内推出带有所谓的“量子霸权 (quantum supremacy)”功能的处理器，其性能要远超传统计算机。
小型的量子系统已经出现，但若想在下一步扩大量子计算的规模，就必须要确定量子计算机是否能够实现其潜在价值。
对此，科学家和行业参与者主要关注下述两种方法。
第一种方法是将线回路冷却至接近 -273.15 摄氏度（或绝对零度），将其转化为超导体，最终使电流在没有阻抗的情况下流动。
另一种方法依赖于捕获离子，即稀土元素镱的带电原子，这些原子被捕获在由激光束形成的真空室中，并通过其他的激光进行操控。线路及捕获离子中的震荡电荷可起到量子比特 (qubit) 的作用，加以利用后即可执行计算机的运算。
量子领域的飞跃
无论采用哪种方法，关键在于如何将从已经验证的系统（即仅含有数个量子比特的系统）转化为可以处理数百或数千个量子比特的系统，这才是量子技术的价值所在。
去年，IBM 研发了一款含有 5 个量子比特的量子处理器，以供开发人员、研究人员和编程人员通过云门户试验之用。从那以后，IBM 在量子计算领域的研究不断实现重大进展。
今年 5 月，IBM 将其基于云的量子计算机更新至含有 16 个量子比特的处理器，同时研发出了含有 17 个量子比特的处理器，该款处理器有望成为未来商用量子计算系统的基础。
无论是 IBM 还是谷歌，两家的量子处理器都是基于线回路的超导原理而设计；在今年 6 月 22 日在德国慕尼黑举行的大会上，谷歌宣布已经研发成功了含有 20 个量子比特的处理器。在大会上，谷歌量子人工智能实验室的工程师 Alan Ho 介绍说，谷歌有望在今年年底推出含有 49 个量子比特的芯片，进而实现“量子霸权”。
单单从这些数字来了解量子计算，可能还不够直观。
不过，相比作为传统计算机最小数据单元的“比特”，量子比特要强大得多。
比特以电流的流动为基础，构成了所有计算所用的数字语言：“断”用“0”表示，“通”用“1”表示，这两种状态构成了所有计算机运算的编码。
不过，量子比特并不是以“是/否”电子开关为基础，而是基于粒子的量子属性，例如电子旋转方向等。
在量子世界中，一个粒子可以同时具备多种状态，即所谓的“叠加”，这要比简单的“通断”要复杂得多。
“不仅有正面和反面，还可以有任何经加权的叠加。比如说，可以有 70:30 的正反面叠加，”Christopher Monroe 介绍说。Christopher Monroe 是马里兰大学帕克校区的一名物理学家，也是 IonQ 公司的创办者，该公司是一家初创公司，致力于通过捕获离子的方法打造量子计算机。
量子比特能够同时以多种状态存在，具备超出二进制的能力，因此可以同时执行许多计算，这将会大幅提升量子计算机的计算能力。随着量子比特数量的增加，这种计算能力会呈指数级增长。
加州理工学院的理论物理学家 John Preskill 介绍说，“在量子比特的数量达到 49 或 50 个时，量子计算机的性能大约相当于 10 QB，可实现传统计算机无法匹敌的计算能力。当然，这种计算能力是否能够得到实际运用，我们暂且不论。”
位于纽约州约克城高地的 IBM T. J. Watson 研究中心的IBM Q量子计算研究科学家 Jerry Chow 表示，“无论是超导电路方法还是捕获离子方法，都有希望达到 50 个量子比特的阈值。按照传统的思维，量子比特越多，计算能力就越强”。
但 Chow 也表示，“量子比特的数量并不是唯一影响因素。”他主要关注的是计算机可执行计算的数量和质量，他将这一指标称为“量子体积”。
该指标涵盖了许多其他因素，例如量子比特执行计算的速度、量子比特在规避或纠正错误方面的能力等等。这些因素相互之间可能会出现冲突；举例来说，如果增加量子比特的数量，在信息沿线路从一个量子特别传输到另一个时，就会增加出错率。
Chow 说道，“作为一个社区，无论我们研究的是超导量子比特还是捕获离子，或者说其他任何方向，我们都应该努力提升量子体积这一指标，这样我们才能够制造出真正越来越强大的量子处理器，进而完成之前不可想象的任务。”
我们的目标是性能更高，而不是规模更大
Monroe 在近期将其研发的 5 量子比特捕获离子系统与 IBM 的 5 量子比特处理器进行了对比，他在两个处理器上运行了相同的简单算法，结果发现两者的性能大致相当。
他介绍说，两者的最大差异在于，捕获离子相互之间通过电磁力连为一体：在由 30 个离子构成的离子串中，摇动任何一个离子，其他离子就会做出反应，因此可轻松实现信息在离子之间的快速、准确传递。
在线回路超导电路中，只有部分量子比特连为一体，因此信息传递速度较慢，进而会导致出现错误。
超导电路的一个优势在于，我们可以通过与制造计算机芯片相同的工艺轻松制造出超导电路。它们可以在十亿分之一秒内执行计算机的基本逻辑门运算，即比特的加减或其他运算。
另一方面，在这类系统中，量子比特的量子状态只能维持数毫秒的时间，因此任何运算都必须在该时间内完成。
相比而言，在捕获离子系统中，量子状态能够维持数秒的时间，有时甚至能够达到数分钟或数小时。但是在这类系统中，逻辑门的运行速度要比超导电路量子计算慢 1,000 倍左右。Monroe 介绍说，在仅涉及数个量子比特的简单运算中，这种速度劣势还无关紧要。但随着量子比特数量的增加，就会形成严重的问题，需要耗费大量的时间才能解决。对超导量子比特而言，如果数量增加，要解决的问题就在于如何实现它们相互之间的互联。
无论采用何种技术，一旦量子比特的数量增加，就会导致它们难以实现互联和操控，因为我们在实现互联的同时，还需要确保每个量子比特的独立性，使其能够维持在量子状态。一组内的原子或电子数量越多，传统物理学规则发挥的作用就越强，单个原子的量子属性对整个系统行为的影响就会越小。Monroe 说道，“量子系统的规模一旦增大，其量子特性就会变得模糊。”
Chow 认为，在未来 5 年内，量子计算机的运算能力将会超越传统计算机，量子化学领域也将会是如此。Monroe 表示，在未来 10 年内，我们有望研发出含有数千个量子比特的系统。Monroe 还表示，在某种程度上来说，在找到量子计算机系统的明确制造方法之前，任何研究人员都无法确知量子计算系统到底能有多大价值。
今年已经 64 岁的 Preskill 表示，在他的有生之年，肯定能够看到量子计算机对社会带来的巨大影响，就像当初的互联网和智能手机一样，但具体有哪些影响，他也无法做出准确预测。
他表示，“这些量子系统所采用的语言完全不同于数字系统的语言。纵观历史，我们可以发现，在影响切实发生之前，新技术到底能够给我们带来怎样的影响，的确难以预测。”
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