6種不同類型的量子計算技術(shù)

6種不同類型的量子計算技術(shù)

量子計算作為前沿科技領(lǐng)域，正吸引著全球科技巨頭和初創(chuàng)企業(yè)的目光。其核心在于利用量子力學(xué)的原理，通過量子比特（qubit）實現(xiàn)超越經(jīng)典計算的強(qiáng)大計算能力。目前，量子計算技術(shù)呈現(xiàn)出多樣化的格局，以下六種主要類型各有優(yōu)勢與挑戰(zhàn)。

1、退火

量子退火使用超導(dǎo)量子比特，但與超導(dǎo)量子計算不同，它采用模擬計算模型，適用于優(yōu)化問題，例如確定最有效的送貨路線或平衡投資組合。為了解決這些問題，量子退火利用量子疊加來同時評估各個可能解決方案的能量狀態(tài)，同時量子隧道效應(yīng)有助于識別最低能量的解決方案，即最佳方法。

量子退火機(jī)的主要優(yōu)勢在于其專注于解決復(fù)雜的優(yōu)化問題，其固有并行性和量子隧道效應(yīng)的使用可以加速這些計算任務(wù)。然而，量子退火被認(rèn)為不如其他形式的量子計算多功能，且無法使用量子錯誤糾正（QEC）技術(shù)來提高可靠性。

2、超導(dǎo)

超導(dǎo)量子計算機(jī)依賴于電子電路來創(chuàng)建量子比特。這種方法使用微波脈沖來實現(xiàn)量子門，這些量子門會在量子比特中產(chǎn)生疊加或使它們糾纏。脈沖操控量子比特的量子狀態(tài)以執(zhí)行計算。超導(dǎo)量子比特的優(yōu)勢在于其計算速度較快，并且可以利用成熟的半導(dǎo)體制造技術(shù)。然而，超導(dǎo)量子比特對環(huán)境噪聲非常敏感，其使用壽命比其他技術(shù)更短。此外，超導(dǎo)量子計算機(jī)依賴于低溫冷卻系統(tǒng)，如稀釋制冷機(jī)，這增加了成本。Google、IBM、IQM、OxfordQuantumCircuits和RigettiComputing是超導(dǎo)量子技術(shù)的主要提供商。AWS在2025年2月推出的原型量子芯片中也使用了超導(dǎo)貓量子比特，該技術(shù)減少了量子錯誤校正所需的資源。

3、捕獲離子

捕獲離子量子計算機(jī)將帶電粒子（離子）困在一個電磁場中，這些被困的粒子作為量子比特，而激光被用來控制這些粒子，實現(xiàn)量子門，從而產(chǎn)生諸如疊加和糾纏等特性。捕獲離子量子計算的一個重要優(yōu)勢是量子比特可以更長時間地保持量子態(tài)，例如疊加和糾纏，這使得量子機(jī)器能夠運行復(fù)雜的算法。另一個優(yōu)點是捕獲離子計算機(jī)不需要低溫冷卻，而是依靠更便宜的激光冷卻。然而，捕獲離子計算機(jī)通常比其他類型的量子計算機(jī)速度慢。

4、中性原子

中性原子量子計算機(jī)使用具有凈電荷為零的原子作為量子比特的基礎(chǔ)，通過激光捕獲原子并操控量子比特的狀態(tài)。中性原子技術(shù)的一個優(yōu)勢是其可擴(kuò)展性潛力，因為qubits的中性性最大限度地減少了它們之間的干擾，這使得擴(kuò)展qubits“相對簡單”。此外，這種方法還可以在室溫下運行，使用激光冷卻qubits。然而，將中性原子計算機(jī)擴(kuò)展到某些閾值以上可能會遇到挑戰(zhàn)。

5、光子

光子量子計算依賴于光的量子特性，如偏振，并使用光子作為量子比特進(jìn)行計算。這種機(jī)器使用諸如光束分裂器和相位移器之類的機(jī)制來實現(xiàn)量子門。光子量子計算的優(yōu)勢包括速度和能夠在沒有復(fù)雜冷卻系統(tǒng)的情況下運行。然而，光子損失是一個主要缺點，這可能會阻礙性能。

6、量子點

量子點量子計算使用被稱為量子點的納米尺度半導(dǎo)體晶體。量子點限制了帶電粒子，如電子，這些粒子作為量子比特。使用這種模式的機(jī)器通過操控量子比特的自旋狀態(tài)來實現(xiàn)門，從而進(jìn)行計算。量子點技術(shù)的優(yōu)勢在于其半導(dǎo)體連接，這意味著技術(shù)提供商可以利用經(jīng)典的制造方法來構(gòu)建“自旋量子比特芯片”。然而，自旋量子比特的尺寸很小，這需要精確的控制電子設(shè)備。此外，量子點通常需要低溫冷卻系統(tǒng)，盡管也有其他機(jī)制被提出。

拓?fù)淞孔颖忍兀盒屡d的希望

微軟在2025年2月推出的Majorana1量子處理單元將人們的注意力集中在拓?fù)淞孔颖忍剡@一新興技術(shù)上。這種方法基于拓?fù)涑瑢?dǎo)性，微軟將其描述為一種新的物質(zhì)狀態(tài)。微軟表示，這一發(fā)展源于將半導(dǎo)體indiumarsenide與超導(dǎo)體鋁結(jié)合在一起的設(shè)備制造。盡管批評者已經(jīng)質(zhì)疑微軟的聲明的可靠性，但Njordis的創(chuàng)始人指出，如果微軟的突破真的能夠?qū)嶋H實現(xiàn)，而不是停留在理論層面，那將是對該領(lǐng)域非常有前景的方法。微軟在拓?fù)浞椒ㄉ贤度肓舜罅抠Y金，已經(jīng)很多年了。事實上，微軟物理學(xué)家在2017年的微軟Ignite會議上與首席執(zhí)行官薩蒂亞·納德拉討論了拓?fù)湮镔|(zhì)和Majorana方法。一年后，微軟支持的研究人員發(fā)表了一篇關(guān)于Majorana的論文，但在2021年被撤回。然而，微軟在2025年2月發(fā)布的研究中重新強(qiáng)調(diào)了其觀點，并在《自然》期刊中發(fā)表的文章中展示了“一種根本不同的量子比特”的工程能力。

未來展望：誰將主導(dǎo)？