[解读科学]量子计算机核心“量子比特”
量子计算机量子比特研发竞争：Google与IBM在超导方案上领跑，离子阱、中性原子等多路线角逐，胜负未定却被寄望成为改变人类生活的“游戏规则改变者”
2024年年末，谷歌公开的“Willow”芯片足以让人们对量子世界即将开启充满期待。官方宣布，这枚芯片能够在5分钟内解决一台目前最强超级计算机需要100亿年才能完成的问题，这一消息不仅点燃了全球科学技术界，也令股市沸腾。与量子相关企业的股价暴涨超过10倍，社会关注度持续升温。许多人为“量子”一词狂热不已。对于不熟悉物理学的人来说，“量子”依然陌生且尚未成熟，但对量子将带来变革的期待已经成为现实。
量子计算机之所以特殊，是因为其处理信息的方式完全不同。我们使用的传统计算机以“比特（Bit）”为单位，只能表示0或1；而量子计算机使用“量子比特（Qubit）”，可以同时处于既是0又是1的状态。这就好比抛出的硬币在空中时，正反两面同时存在。得益于这一特性，量子计算机能够同时处理海量运算。
决定量子计算机性能的关键，也在于能否高质量地制造量子比特。虽然纠正随着运算次数增加而不断累积的错误这一技术同样重要，但目前世界各国研究团队正全力以赴，用彼此不同的方式制造量子比特，展开激烈竞争。
量子比特的实现方式主要有7大主流路径。其中目前最受瞩目的是由谷歌和IBM引领的“超导量子比特”。该方式利用接近零下273摄氏度的极低温环境，使电流无电阻地流动。就像在冰面上无摩擦地滑行一样，在这种状态下可以更长时间地保持量子信息。安装在延世大学的IBM量子计算机就是基于这一技术运行。谷歌利用该技术制造了“Sycamore”芯片，用200秒完成了传统计算机需要1万年才能完成的运算，并在此基础上通过Willow芯片继续推进研究并取得成果。
继超导体之后，研究最为活跃的领域是“离子阱”方案。该技术通过将带电原子悬浮在空中，并用激光进行操控，就像精细控制悬浮在空中的珠子一样。由Kim Jeongsang在杜克大学创办的IonQ公司以及英国牛津大学研究团队正引领这一领域。该方式的优势是精度极高，但要同时操控大量离子仍是一大难题。
还有利用光的“光子量子比特”。这种以光的粒子——光子来处理信息的方式，可在室温下运行，并能像光一样高速传输信息。美国PsiQuantum和Xanadu正以该技术的商业化为目标开展研究。不过，要让光子之间产生纠缠并不容易，相关难题仍在持续攻克之中。
利用电子或原子核自旋行为的“自旋量子比特”同样备受关注。这一方式是将如同地球自转般旋转的粒子状态用于信息存储。澳大利亚新南威尔士大学（UNSW）的研究团队已经成功通过此方式连接了两个量子比特。其优点是在常温下也能较长时间运行，但要精确控制单个自旋仍然十分棘手。
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微软正在研究的“拓扑量子比特”被认为是最具挑战性的路径。这就好比解开一个结有多种方法一样，其目标是利用物质的拓扑性质，构建对错误高度鲁棒的量子比特。目前仍处于实验室阶段，但如果成功，有望打造出最稳定的量子计算机。
半导体企业英特尔则专注于开发可利用既有半导体工艺的“硅基量子比特”。由于可以沿用当前的计算机芯片生产设施，被认为在实现量产方面最具优势。
通过激光操控中性原子的“中性原子量子比特”方式也备受瞩目。该技术利用激光光学镊子对单个原子进行精密排布和控制，拥有可稳定操控数百个量子比特的优势。以哈佛大学和麻省理工学院（MIT）为中心，相关研究正如火如荼地推进，QuEra Computing则走在该技术商业化的前列。
韩国也加入了这场竞争。韩国电子通信研究院（ETRI）以光子方式为主，韩国标准科学研究院（KRISS）则以超导方式为主，多家研究机构相互协作，开展多种量子比特技术研究。尽管与世界最高水平之间仍存在差距，但政府已将量子领域指认为三大“游戏规则改变者”技术之一，并推动对相关预可行性研究予以豁免，以此展现通过全方位支持来缩小差距的决心。
要让量子计算机真正投入实用，还需跨越数道高山。如何更长时间维持量子态、降低计算错误、增加量子比特数量，都是核心课题。然而，从最近一两年的研究成果来看，人们已经捕捉到这些难关正逐一被攻克的积极信号。
一旦这项技术走向成熟，将会带来怎样的变化？新药研发所需时间有望从数年缩短至数周；更强大的加密体系将被建立；气候变化预测也会更加精确；人工智能的学习速度可能提升数百倍。
量子比特在0与1之间蕴藏着无限可能。虽然目前大多仍停留在实验室级别的样机阶段，但全球无数研究人员的努力从未停歇，而量子计算机何时真正走入我们的日常生活，仍难以下定论。在这场已经打响的量子比特战争中，谁将成为最终胜者也尚未可知。
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韩国量子信息学会会长Han Sanguk表示：“哪一种量子比特会成为最终胜者，目前还无法预言。现在看来，超低温量子比特似乎占优，但在纠错方面，离子阱展现了更出色的成绩，中性原子也取得了良好进展。今年年初在光子量子比特方面也看到了新的可能性。这些技术在良性竞争中不断发展，但现在还难以断言已经出现了足以改变世界的量子比特。当然，一旦胜者出现，它必然会成为能够改变人类生活的游戏规则改变者。”他解释称，无论谁最终胜出，其带来的利益都将属于全人类。
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