量子计算机：一场改变世界的开发竞赛

这样的设备可能会帮助解决气候变化和粮食短缺问题，也可能破坏互联网。在这场竞赛中，美国和中国谁会先到达目标？

神秘的机器

在加利福尼亚州圣巴巴拉的郊区，在果园和大海之间，坐落着一个不起眼的仓库，它的窗户是棕色的，外部漆成暗灰色。该设施几乎没有标牌，其名称也没有出现在谷歌地图上。门上的小标签上写着“Google Quantum AI”。在这个仓库里，一种全新的计算机正在从头开始改造。

9月，实验室创始人Hartmut Neven带记者参观了一圈。Neven来自德国，现年57岁，已经秃顶，属于现代商务人士与神秘主义者的混合体。他谈到了量子的未来，融合了科学的精确性和迷幻的欢乐。他穿着一件皮夹克，一件宽松的亚麻衬衫，上面装饰着纽扣，一条牛仔裤，腿上有拉链口袋，脚上是一双看起来像太空靴的魔术贴式运动鞋。“正如我的团队所知，我从不错过任何一个火人节。”他说。

谷歌Quantum AI实验室创始人Hartmut Neven，图源：Google Quantum AI

在仓库地板的中间，金属脚手架上悬挂着一个大小和形状都类似舞厅吊灯的设备。电缆束从顶部通过一系列镀金盘子蜿蜒而下，到达下面的处理器。这个名为Sycamore（悬铃木）的处理器是一个长方形的小片，上面布满了几十个端口。Sycamore利用一些最奇怪的物理学特性来执行违背所有人类直觉的数学运算。一旦连接好，整个装置就会被放置在一个圆柱形冰箱内并冷却一天以上。该处理器依赖于超导性，这意味着在超低温下，它的电阻几乎消失了。当处理器周围的温度达到低于外太空最深处的温度时，计算就可以开始了。

经典计算机使用比特表达信息，取值为0和1。量子计算机——就像谷歌正在建造的那样，使用量子比特，它既可以取0或1的值，同时也可以是0和1的复杂组合。因此，量子比特比经典比特更强大，能够执行经典比特无法执行的计算。但也正是由于这种底层的变化，一切都必须重新开发：硬件、软件、编程语言，甚至程序员解决问题的方法。

在我访问的那天，一位技术人员——谷歌称之为“量子机械师”——正在使用一系列小型机床在计算机上工作。每个量子比特都由专用电线控制，技术人员站在凳子上，用手连接着线缆。

谷歌的“量子机械师”正在连接线缆，图源：Google Quantum AI

面前的量子计算机是多年研究和数亿美元投资的结晶。但它也几乎没有发挥作用。今天的量子计算机还太“嘈杂”，这意味着它们几乎在所有计算尝试中都会失败。然而，建造它们的竞赛吸引了地球上一批最顶级的天才：英特尔、IBM、微软和亚马逊也在构建量子计算机。其他国家政府也是如此。这一竞赛的获胜者将生产硅基芯片的继任者——众所周知，硅微芯片是促成信息革命的基础设备。

密码的颠覆

一台完全体的量子计算机可以破解我们当前的加密协议，从根本上破坏互联网。大多数在线通信，包括金融交易和流行的短信平台，都受到加密密钥的保护，使用经典计算机需要数百万年才能破译这些密钥，而量子计算机大概可以在不到一天的时间内破解一个。这仅仅是个开始。

量子计算机可以开辟数学的新领域，彻底改变我们对“计算”的理解。它的处理能力可以刺激新工业化学品的发展，解决气候变化和粮食短缺的问题。它还可以调和阿尔伯特·爱因斯坦优雅的相对论与不守规矩的微观世界的量子力学，从而使发现空间和时间本质成为可能。“量子计算的影响将比迄今为止的任何技术都更为深远，”初创公司PsiQuantum的首席执行官Jeremy O'Brien曾表示。不过，工程师必须首先让它工作起来。

想象一下，将两颗鹅卵石扔进平静的湖中。当石头撞击水面时，它们会产生同心波纹，这些波纹相互作用会产生复杂的干涉图案。二十世纪初，研究电子行为的物理学家在亚原子世界中发现了类似的波状干涉模式。这一发现导致了物理学的危机，因为在其他条件下，这些相同的电子表现得更像空间中的单个点，称为粒子。很快，当许多人认为这是有史以来最离奇的科学结果时，物理学家意识到，电子的行为是更像粒子还是更像波，取决于是否有人在观察它。量子力学领域诞生了。

在接下来的几十年里，发明家利用量子力学的发现来构建各种技术，包括激光和晶体管。二十世纪八十年代初期，物理学家理查德·费曼（Richard Feynman）提议建造一台“量子计算机”，以获得用常规方法无法计算的结果。当时的计算机科学界对此反应平淡，早期的量子计算研究人员甚至很难在学术会议上获得名额。这种设备的潜力性直到1994年才得到揭示，当时在新泽西州贝尔实验室工作的数学家Peter Shor证明，量子计算机可以帮助破解一些最广泛使用的加密标准。甚至在Shor公布他的结果之前，国家安全局的一位有关代表就找到了他。

Shor现在是麻省理工学院应用数学委员会的主席，记者8月份去那里拜访过他。他狭窄的办公室被一块横跨一面墙的大黑板占据了主要空间，他的办公桌和桌子上堆满了草稿纸。角落里放着纸板箱，里面装满了Shor潦草的手工艺品。其中一个盒子来自于十一年前就倒闭的书商Borders。

Shor戴着椭圆形眼镜，肚子圆滚滚的，头发又白又绒，胡须蓬乱。我见到他的那天，他正在黑板上画六边形，一只鞋的鞋带还没有系好。“他看起来就像会发明算法的人，”在他的一个讲座视频中评论道。

数学家Peter Shor和他的大黑板，图源网络

算法是一组用于计算的指令。做长除法的孩子就是在遵循一种算法；模拟宇宙演化的超级计算机也是如此。将算法作为数学对象的正式研究始于20世纪，Shor的研究表明我们还有很多不了解的地方。实验物理学家Michel Devoret说：“在算法方面，我们可能处于罗马人对数字的认知水平。” 他将Shor的工作比作18世纪虚数的突破。

Shor对算法很着迷。“我在深夜里、淋浴时，无处不在想着它们，偶有灵感，我就在一张纸上潦草地写下了有趣的符号。” 有时当一个问题特别耗费心思时，Shor注意不到其他人正在跟他说话。“这对外人来说可能非常烦人，除了我的妻子。她已经习惯了。” 

谷歌的Neven回忆起与Shor漫步在剑桥镇的情景，当时他正在阐述他的最新研究。Neven说：“他就这么横穿了四条车道。”Shor说他的两个女儿都被诊断出患有自闭症，他自己也有一些这样的特征。

Shor最著名的算法建议使用量子比特将非常大的数字“分解”成更小的质因数乘积。记者请他解释这一算法是如何工作的，然后他从黑板上擦掉了六边形。Shor说，因式分解的关键是识别质数。1到100之间有25个质数，但随着数字的增长，质数变得越来越少。Shor在黑板上画了一系列紧凑的公式，解释某些数字序列沿数字轴周期性重复。然而，这些重复之间的距离呈指数增长，使得它们难以用经典计算机计算。

Shor说：“这是我发现的核心，你知道什么是衍射光栅吗？” 他开始画一个简单的草图，描绘一束光撞击滤光片然后衍射成彩虹的颜色，他用彩色粉笔描绘了彩虹的颜色。“每种颜色的光都有一个波长，我们正在做类似的事情。这东西实际上是一个计算衍射光栅，所以我们正在整理不同的周期。”Shor说。 黑板上的每种颜色代表一组不同的数字。一台经典计算机在查看这些分组时，必须一个一个分析。但是一台量子计算机可以一次处理整个彩虹。

挑战在于用物理硬件实现Shor的理论工作。2001年，IBM的实验物理学家试图通过向悬浮在液体中的分子发射电磁脉冲来实施该算法。Shor说：“那台机器大约花费了50万美元，最后它告诉我们十五等于五乘以三。” 经典计算的比特相对容易构建——想想一个电灯开关，它可以“打开”或“关闭”。量子计算的量子比特需要像一个刻度盘之类的东西，或者更准确地说，需要多个刻度盘，每个刻度盘都必须调谐到特定的振幅。在亚原子尺度上实施这种精确控制仍然是一个棘手的问题。

尽管如此，为了迎接网络安全专家称之为Y2Q（量子可破解密码）的那一天，现有的保护短信、电子邮件、医疗记录和金融交易的协议必须被拆除和替换。今年早些时候，拜登政府宣布，它正在朝着新的抗量子加密标准迈进，以提供对Shor算法的保护。实施这些标准预计需要十多年时间，耗资数百亿美元，这为网络安全专家创造了财富。“这与Y2K（千年虫）之间的区别在于我们知道Y2K发生的实际日期，”密码学家Bruce Schneier表示。

在Y2Q的预期中，众多数据破解机构正在储存加密的互联网流量，希望在不久的将来读取它。负责美国后量子加密标准的数学家Dustin Moody说：“我们看到我们的对手这样做：复制我们的加密数据并保留它，这绝对是一个真正的威胁。” 

当我问他美国政府是否也在做同样的事情时，Moody说他不知道。在几年内，这个时代的大部分通信可能都会被曝光。拜登政府对密码学升级的最后期限设在2035年，而能够运行Shor算法简单版本的早期量子计算机最早可能在2029年出现。

费解的纠缠

量子计算研究的根源是一个被称为“量子纠缠”的科学概念。纠缠之于计算的影响，就像核裂变对爆炸物的影响一样：都是由于亚原子世界的一种奇怪特性，可以用来创造前所未有的强大技术。如果纠缠可以在日常物体的尺度上发生，那看起来就像是一个魔术。想象一下，你和一个朋友翻转了两个纠缠在一起的硬币，却没有看结果。只有当你偷看硬币时，才能确定抛硬币的结果。如果您检查您的硬币，发现它是正面的，那么您朋友的硬币将自动变成反面。如果您的朋友偷看到她的硬币是正面，那么您的硬币将自动变成反面。无论您和您的朋友相距多远，这个规则都适用。

如果你觉得上述纠缠的解释令人困惑，那么你并不孤单：科学界也需要花了大半个世纪的时间才开始理解它。就像物理学中的许多概念一样，纠缠最早是在爱因斯坦的思想实验中描述的。量子力学规定，粒子的性质只有在被测量后才会“坍缩”为固定值。在此之前，一个粒子同时存在于多个状态的“叠加”中，用概率来描述。

最著名的一个思想实验，由物理学家埃尔温·薛定谔（Erwin Schrödinger）提出：想象一只猫被困在一个盒子里，盒子里装有一瓶可以被衰变粒子激活的毒药，由于粒子处于衰变与未衰变的叠加之中，因此这只猫处于生与死之间的叠加状态。这让爱因斯坦感到不安，他晚年对接替他的那一代人的“新物理学”提出异议。

1935年，爱因斯坦与物理学家鲍里斯·波多尔斯基（Boris Podolsky）和内森·罗森（Nathan Rosen）合作（他们三人合称EPR），揭示了量子力学中一个明显的悖论：按照量子力学的假设，有可能创造出两个纠缠的粒子，它们相距任意距离，它们之间的相互作用速度可能超越了光速。爱因斯坦和他的同事写道：“不可能期望任何合理的现实允许这样做。” 

然而在随后的几十年里，量子力学的其他预言在实验中被反复验证，爱因斯坦这一EPR悖论被忽略了。“因为他的观点违背了那个时代的普遍认知，当时大多数物理学家将爱因斯坦对量子力学的敌意视为衰老的标志。”科学史学家Thomas Ryckman写道。

二十世纪中期的物理学家们专注于粒子加速器和核弹头，纠缠很少受到关注。六十年代初期，北爱尔兰物理学家约翰·斯图尔特·贝尔（John Stewart Bell）独自将爱因斯坦的思想实验重新表述为长达五页的数学论证。1964年，Bell在名不见经传的期刊Physics Physique Fizika上发表了他的研究结果。在接下来的四年里，他的论文没有被引用过一次。

John Stewart Bell在研究中，图片来源：Wikipedia

1967年，哥伦比亚大学的研究生约翰·克劳瑟（John Clauser）在图书馆翻阅该期刊的合订本时偶然发现了Bell的论文。Clauser一直在努力学习量子力学，在获得可接受的成绩之前参加了三门课程。“当时我确信量子力学一定是错的，”他后来说。

Bell的论文为Clauser提供了一种检验他的反对意见的方法。他不顾包括理查德·费曼在内的教授们的建议，决定通过进行一项实验去证明量子力学理论是不完备的，从而为爱因斯坦辩护。1969年，Clauser写信给Bell告知他自己的想法。Bell高兴地回应了——以前没有人写信给他跟他讨论他的定理。

Clauser搬到了美国加利福尼亚州的劳伦斯伯克利国家实验室，在那里，他几乎没有预算，但还是创造了世界上第一个人工纠缠的光子对。当光子相距大约十英尺时，他测量了它们。测量一个光子的属性会立即在另一个光子中产生相反的结果。Clauser和他的合著者斯图尔特·弗里德曼（Stuart Freedman）于1972年发表了他们的发现。从Clauser的角度来看，这个实验令人失望：他最终证明了爱因斯坦是错误的。

最终，Clauser非常不情愿地接受了量子力学令人费解的规则实际上是有效的，而爱因斯坦认为对人类直觉的荒谬侮辱只是宇宙运行的方式。“我承认直到今天我仍然不懂量子力学，”Clauser在2002年说。但Clauser还证明了纠缠粒子不仅仅是一个思想实验。它们是真实的，甚至比爱因斯坦想象的还要奇怪。

他们的怪异引起了斯坦福大学博士物理学家尼克·赫伯特（Nick Herbert）的注意，其研究兴趣包括心灵感应和与来世的交流。Clauser向Herbert展示了他的实验，Herbert提出了一种机器，该机器试图使用纠缠以比光速更快的速度进行通信，从而使用户能够穿越时空发送消息。Herbert的时间机器蓝图最终被认为是不可行的，但它迫使物理学家开始认真对待纠缠。“Herbert的错误论文是产生巨大进步的火花，”物理学家Asher Peres在2003年回忆道。

最终，爱因斯坦的EPR悖论的解决方案并不是粒子可以比光速更快地发出信号；相反，一旦纠缠在一起，它们就不再是不同的物体，而是作为一个系统同时存在于宇宙的两个部分中。（这种现象称为非局域性。）自八十年代以来，对纠缠的研究导致理论和实验物理学不断取得突破。

今年10月，Clauser因其工作分享了诺贝尔物理学奖。在一份新闻稿中，诺贝尔委员会将纠缠描述为“量子力学最强大的特性”。可惜Bell没有活着看到这一切，他于1990年去世，到今天，他1964年的那篇论文已被引用一万七千次。

Aspect、Clauser、Zeilinger三人分享了今年的诺贝尔物理学奖。图源：诺贝尔基金会

脆弱的量子

在位于圣巴巴拉的谷歌实验室中，目标是同时纠缠多个量子比特。想象一下，需要将数百个硬币排列成一个网络，并以编排的顺序操纵这些硬币，最终产生惊人的数学效果。一个例子是Grover算法，它是由Shor在90年代贝尔实验室的同事Lov Grover开发的。

“Grover的算法是关于非结构化搜索的，这对谷歌来说是一个很好的例子，”该实验室的创始人Neven说。“我喜欢把它想象成一个拥有一百万个抽屉的大衣橱。其中一个抽屉里放着一个网球。有个人在壁橱里翻来翻去，平均来说，他会在打开50万个抽屉后找到球。虽然这听起来很神奇，但Grover的算法只需一千步就可以完成，”Neven说。

Neven的职业生涯遍及四方。他原本主修经济学，但在参加弦理论讲座后转学物理。他获得了博士学位。他专注于神经计算，并被聘为南加州大学教授。在南加州大学期间，他的研究团队赢得了由美国国防部主办的面部识别竞赛。此后他创办了一家名为Neven Vision的公司，该公司开发了用于社交媒体面部过滤器的技术；2006年，他以4000万美元的价格将公司卖给了谷歌。在谷歌，他起初从事图像搜索和谷歌眼镜的工作，在公共电台听到有关量子计算的故事后转向量子计算。他告诉我，他的最终目标是通过将量子计算机连接到某人的大脑来探索意识的起源。

Neven对面部分析技术的贡献广受赞誉，如果你曾经在Snapchat上用过将自己变成一只狗的卡通动画形象，你要感谢他。（你也可以感谢他对这项技术的更多反乌托邦应用。）但是，在过去的几年里，在世界领先的科学期刊上发表的研究论文中，他和他的团队也揭开了一系列小而奇特的奇迹：聚集成团的光子；全同的粒子，其性质会根据排列的顺序而改变；一种被称为“时间晶体”的永远变化的物质的奇异状态。

“实际上我们有个清单，上面有很多这样的事物，每一个都和下一个一样科幻，”Neven告诉记者：“由物理学家Maria Spiropulu领导的一个团队使用谷歌的量子计算机模拟了一个‘全息虫洞’，这是一条穿越时空的概念捷径。这一成就最近刚刚成为Nature期刊的封面。”

Nature期刊用封面报道谷歌的量子模拟全息虫洞，图源：nature.com

谷歌在量子计算方面发表的科学成果也会受到其他研究人员的审查。Nature期刊的一位作者称他们的虫洞是“你能想象到的最小、最破旧的虫洞”。Spiropulu对此表示同意：“它真的非常破旧。”而德克萨斯大学奥斯汀分校专门研究量子计算的教授Scott Aaronson表示：“你必须眯着眼睛，量子计算也不会很快取代经典方法。”

“目前量子计算机的计算能力很差，”谷歌研究科学家Marissa Giustina说。“我们只能数到四。”Giustina是世界领先的纠缠专家之一。2015年，在奥地利教授Anton Zeilinger的实验室工作期间，正是Giustina完成了升级版的Clauser1972年实验。

2022年10月，Zeilinger也被提名为诺贝尔奖获得者。“在那之后，我收到了一堆邮件，说恭喜你的老板获得诺贝尔奖。”Giustina说。谈到现有的量子计算机——一台可能很快就会模拟复杂分子但目前还不能进行基本算术运算的机器，她有些沮丧，“这与我们日常生活中的经历背道而驰。这就是它如此烦人的地方，但又如此美丽。”

谷歌研究科学家Marissa Giustina，图片来源：Google Quantum AI

谷歌纠缠量子比特的主要问题是它们还不能“容错”。Sycamore处理器平均每1000步就会出错。但是一个典型的计算实验需要远远超过1000步，因此，为了获得有意义的结果，研究人员必须将同一个程序运行数万次，然后使用信号处理技术从海量数据中提炼出少量有价值的信息。如果程序员可以在处理器运行时测量量子比特的状态，这种情况可能会有所改善，但测量处于叠加态的量子比特，会迫使它坍缩成一个固定值，从而导致后面计算失败。

此外，这种“测量”不需要有意识的观察者进行：与环境的任何交互都会导致相同的崩溃，（如震动、光照、电磁辐射、分子热运动等）。“它必须变得安静，寒冷，量子比特存在于暗处是量子计算规模化的一个基本需求。”Giustina说。谷歌的处理器有时会在遇到来自太阳系外的太空辐射时就发生故障。

其他的路线

在量子计算的早期，研究人员担心测量问题很棘手，但1995年Peter Shor表明纠缠也可以用来纠正错误，从而改善硬件的高故障率。Shor的研究引起了当时在莫斯科工作的理论物理学家Alexei Kitaev的注意。

理论物理学家Alexei Kitaev，图片来源：AP

1997年，Kitaev使用“拓扑”量子纠错方案改进了Shor码。加州理工学院的理论物理学家John Preskill在谈到现在是该校教授的Kitaev时，带着几近敬畏的神情。“他非常有创造力，而且他在技术上非常有深度，”Preskill说。“他是我认识的少数几个我可以毫不犹豫地称其为天才的人。”

我在加州理工学院宽敞的办公室里见到了Kitaev，那间办公室几乎空无一人。他穿着跑鞋。Kitaev告诉我，在花了一天时间思考粒子之后，他会步行大约一个小时来理清思绪。在艰难的日子里，他可能会走更长的时间。加州理工学院以北几英里处坐落着威尔逊山，在19世纪20年代，埃德温·哈勃（Edwin Hubble）在那里使用当时世界上最大的望远镜推断出宇宙正在膨胀。“我可能去过威尔逊山一百次了。”Kitaev说。当遇到真正棘手的问题时，基塔耶夫会跳过威尔逊山，去附近的巴尔迪山徒步旅行，这座海拔超过3000米的山峰经常被白雪覆盖。

量子计算就是一个棘手到要徒步巴尔迪山的问题。“我在1998年做出预测，实用的量子计算将在30年内实现，”Kitaev说。“我不确定我们会成功。” 目前Kitaev的纠错方案是构建功能性量子计算机最有前途的方法之一，并且在2012年，他因其工作获得了突破奖（Breakthrough Prize），这是世界上奖金额最高的科学奖之一。后来谷歌聘请他为顾问。但是到目前为止，还没有人设法实现他的想法。

Preskill和Kitaev一起教授加州理工学院的量子计算入门课程，他们的教室里挤满了学生。但是，在2021年，亚马逊宣布将在加州理工学院校园内开设一个大型量子计算实验室。Preskill现在是亚马逊学者，而Kitaev留在了谷歌。这两位过去办公室相邻的物理学家，如今在不同的建筑物中工作。尽管他们仍然保持合作关系，但笔者觉得有些研究课题他们不能再讨论了。

2020年初，辉瑞公司的科学家开始研发数百种用于治疗新冠疾病的实验药物。同年7月，他们合成了7毫克标记为PF-07321332的研究化学品，这是该公司当周生产的20种配方中的一种。直到9月，PF-07321332一直是实验室冰箱中的一个匿名小瓶，当时实验表明它能有效抑制大鼠的新冠肺炎。该化学物质随后与另一种物质合在一起，并更名为Paxlovid，辉瑞声称这种复方药物可以将新冠相关的住院率降低大约90%。

Paxlovid被视为救命稻草，但在量子计算机的帮助下，可能会缩短药物开发中艰苦试验和不断试错的过程。量子初创公司PsiQuantum的董事会成员、风险投资家Peter Barrett说：“我们以前只是在可以直接设计的化合物中猜测哪个有用。对于我们文明完全依赖的东西，我们主要靠猜——但这绝不是最佳选择。”

容错量子计算机应该能以前所未有的精度模拟化学品的分子行为，指导科学家更快地获得结果。2019年，研究人员预测，仅需1000个容错量子比特，就可以首次准确地模拟一种称为Haber-Bosch过程的氨化肥生产工艺，对该生产工艺的改进将导致二氧化碳排放量的大幅减少。

锂是电动汽车电池的主要成分，是一种原子序数为三的简单元素。即使是原始的容错量子计算机，也可能会揭示如何扩展其存储能量的能力，从而增加车辆的行驶里程。量子计算机还可用于开发可生物降解塑料或无碳航空燃料。咨询公司麦肯锡建议了另一种用途：“模拟表面活性剂以开发更好的地毯清洁剂”。“我们有充分的理由相信量子计算机能够有效地模拟自然界中发生的任何过程。”Preskill几年前写道。

我们生活的世界是宏观尺度的，这是普通动力学的世界：台球、火箭、飞船。而亚原子粒子的世界是量子尺度，这是一个充满奇异效果的世界：干扰、不确定性和纠缠。在这两个世界的边界处是科学家所说的“纳米级”尺度，即分子世界。在大多数情况下，分子的行为就像台球，但如果你放大得足够近，你就会开始注意到量子效应。正是在纳米尺度上，研究人员期望量子计算能够解决其在药物和材料设计方面的第一个有意义的问题，也许只需要几百个容错量子比特。正是在量子分子化学这门学科中，分析师们预计量子计算领域的第一笔真正的产出将会出现。量子物理学赢得了今年的诺贝尔奖，而量子化学将为企业赢得支票。

相关专利可能带来的意外收获令投资者兴奋不已。除了科技巨头之外，许多初创公司也在尝试构建量子计算机。量子行业网站Quantum Insider统计到该行业已有600多家公司，另一项估计表明全球已投资300亿美元用于开发量子技术，其中许多业务都是投机性的。

总部位于马里兰州大学的IonQ去年上市，尽管几乎没有销售额。那里的研究人员使用“离子阱”方法获得的量子比特进行计算：将稀土元素镱的原子排列成整齐的行，然后用激光操纵它们。IonQ的首席技术官Jungsang Kim告诉我，他的离子阱比谷歌的处理器更能保持纠缠，但他承认，随着添加更多的量子比特，激光控制系统变得更加复杂。“改进控制器，这是我们的症结所在。”他说。

Jungsang Kim和他的离子阱计算机，图片来源：IonQ

位于帕洛阿尔托的PsiQuantum，工程师们正在利用光子制造量子比特。“这种方法的优势在于我们可以使用现有的硅制造技术，”该公司首席科学官Pete Shadbolt说，“此外，我们可以在更高的温度下运行。” PsiQuantum已经筹集了50亿美元。

 PsiQuantum的光量子计算芯片，图片来源：PsiQuantum

还有一些其他更奇怪的方法。微软以Kitaev的工作为基础，正试图构建一个“拓扑”量子比特，这需要合成一个难以捉摸的粒子才能工作。英特尔正在尝试“硅自旋”方法，将量子比特嵌入半导体。这些竞争引发了人才竞购战。“如果你拥有量子物理学的高级学位，你就可以进入就业市场并在三周内获得五份录取通知书，”Jungsang Kim说。

即使是最乐观的分析师也认为量子计算在未来五年内不会获得可观的利润，而悲观者警告说这可能需要十多年的时间。看起来很可能会开发出许多没有耐用用途的昂贵设备。“你走在硅谷山景城计算机历史博物馆的大厅里，你会看到一条水银延迟线，”Shadbolt说，那是1940年代使用声波存储信息的过时装置。“我常常想起过去那些建造它的人。”

即使是内部人士，也很难确定目前哪种方法处于领先地位。“'Pivot'（转向）是硅谷中濒死体验的代名词，”Neven说。“但如果有一天我们看到超导量子比特被其他一些技术所击败，比如光子学，我会立刻转向。” Neven似乎真的因为竞争变化而松了一口气。他的实验室很昂贵，而量子计算是那种在低利率时代才能蓬勃发展的“登月项目”。（意思是他们实验室在此前的低利率时代获得了投资，而今年以来随着美联储的不断加息，很难再获得如此昂贵的投资。译者注）

“由于目前的经济形势，我们这个领域的初创公司更难找到投资者，”耶鲁大学实验物理学家Devoret说。但是只要亚马逊投资于量子计算，谷歌也将继续为此提供资金。此外还有来自美国国家的支持——无论市场波动如何，情报机构都将量子解密列为优先事项。事实上，Neven最激烈的竞争不是来自私营部门，而是来自中国。谷歌前量子计算负责人John Martinis说，“可以说在制造高质量量子比特方面，中国人处于领先地位。”

中国的努力

在中国科学技术大学的校园里，四种相互竞争的量子计算技术正在并行开发。在《科学》杂志发表的一篇论文中，2020年，由潘建伟院士和陆朝阳领导的团队宣布，他们的处理器解决计算任务的速度比最好的超级计算机还要快数百万倍。潘建伟是量子纠缠领域最大胆的研究者之一。2017年，他的团队在西藏的一个天文台进行了一项实验，将两个光子纠缠在一起，并将其中一个传输到轨道卫星。然后，科学家们使用“量子隐形传态”技术将地球上第三个光子的属性转移到太空中的第三个光子。

陆朝阳在今年早些时候通过视频接受了采访。他加入电话会议很晚，浑身是汗，刚做完核酸回来。陆朝阳在采访中反驳了竞争对手的说法。一个被广泛报道的数字称，中国已投资150亿美元开发量子计算机。“我不知道这个数字是怎么来的，”陆朝阳说。“实际的钱可能不到其中的百分之二十五。”

陆朝阳的“九章二号”光量子计算机无疑是世界上最快的量子计算机之一，但陆朝阳一再指责媒体夸大了这项技术。在通话中他调出一段视频，内容是一位女士试图将10只小猫排成一排，一只小猫跑到后面，女人跑过去抓住它。当女士放回第一只小猫时，其他几只小猫又逃走了。“这就是我们面临的问题，”他说。“想要高精度地控制多个量子比特，但同时它们应该与环境隔离得很好。”

陆朝阳说，量子计算机还面临来自普通硅芯片的激烈竞争。最早的电子计算机，从四十年代开始，只能击败人类。量子计算机必须证明其优于每秒可运行100万万亿次计算的超级计算机。“我们看到很少有量子算法可以证明指数加速的效果，在很多情况下，并不清楚使用普通电脑是否更好。” 陆朝阳还反驳了Martinis关于中国正在制造最好的量子比特的说法。“实际上我认为谷歌处于领先地位，”他说。

“九章二号”光量子计算原型机，图片来源：中国科技大学

Neven对此表示赞同：“明年的某个时候，我认为我们将制造出第一个完全容错的量子比特，”从那里开始，谷歌计划通过将处理器链接在一起来扩大其计算规模。与记者参观的仓库相邻的是第二个更大的空间，阳光从那里洒进尘土飞扬的建筑工地。在那里，谷歌计划建造一台和车库一样大的稀释制冷机。

计划中，一千个容错量子比特应该足以运行准确的分子化学模拟。一万个容错量子比特可以开始解锁粒子物理学的新发现。从那里开始研究人员可以开始全功率运行Shor的算法，揭露我们这个时代的秘密。“我很可能会在它发生之前死去，”63岁的Shor告诉我。“但我真的很想看到它发生，我认为我也很有可能活到足够长的时间看到它。” 

编译：王珩

​编辑：慕一