由哈佛大學(xué)和麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家創(chuàng)建的QuEra Computing正在嘗試用一種不同的量子技術(shù)路線來(lái)解決很困難的計(jì)算任務(wù)。

終于，來(lái)自哈佛大學(xué)和麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家找到了量子計(jì)算的殺手級(jí)應(yīng)用：由量子比特制成的馬里奧兄弟GIF。量子比特（量子比特）也可以按照太空入侵者的設(shè)計(jì)、俄羅斯方塊或其他任何形狀排列——你想讓它成為的形狀就是量子比特的命令。

這些 GIF 來(lái)自美國(guó)波士頓初創(chuàng)公司 QuEra Computing，一家突然崛起的科技公司，來(lái)展示其256?量子比特量子模擬器的可編程性——一種專(zhuān)為解決特定問(wèn)題而構(gòu)建的專(zhuān)用量子計(jì)算機(jī)。

QuEra 的機(jī)器在擴(kuò)展量子計(jì)算方面變得更加強(qiáng)大，并實(shí)現(xiàn)了解決實(shí)際問(wèn)題的飛躍。更多的量子比特意味著可以存儲(chǔ)和處理更多的信息，開(kāi)發(fā)該技術(shù)的研究人員一直在競(jìng)相提高標(biāo)準(zhǔn)。

2019 年，谷歌宣布其 53 量子比特機(jī)器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了量子霸權(quán)——執(zhí)行傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無(wú)法完成的任務(wù)，但 IBM 對(duì)這一說(shuō)法提出質(zhì)疑。并且IBM同年也推出了 53 位量子計(jì)算機(jī)。2020 年，IonQ推出了一個(gè) 32 量子比特系統(tǒng)，并且稱該系統(tǒng)是“世界上最強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)”。就在本周，IBM 推出了新的 127 量子比特的處理器，新聞稿稱其為“設(shè)計(jì)的小奇跡”。IBM 量子計(jì)算副總裁 Jay Gambetta 說(shuō)：“就我看來(lái)，最大的新聞應(yīng)當(dāng)是它可以實(shí)用?！?/p>

現(xiàn)在，QuEra 聲稱已經(jīng)制造出具有比任何競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手都多很多的量子比特的設(shè)備。

當(dāng)然，量子計(jì)算的最終目標(biāo)不是玩俄羅斯方塊，而是在解決實(shí)際問(wèn)題上超過(guò)經(jīng)典計(jì)算機(jī)。技術(shù)狂熱者認(rèn)為，當(dāng)這些計(jì)算機(jī)變得足夠強(qiáng)大時(shí)，可能會(huì)在醫(yī)學(xué)和金融、神經(jīng)科學(xué)和人工智能等領(lǐng)域在一倆年內(nèi)就帶來(lái)變革性影響。屆時(shí)量子計(jì)算機(jī)可能需要數(shù)千個(gè)量子比特來(lái)完成如此復(fù)雜的應(yīng)用。

然而，量子比特的數(shù)量并不是唯一重要的因素。

QuEra 還宣傳其設(shè)備具有增強(qiáng)的可編程性，其中每個(gè)量子比特都是一個(gè)單一的超冷原子。這些原子通過(guò)一系列激光（物理學(xué)家稱之為光鑷）精確排列。定位量子比特允許對(duì)機(jī)器進(jìn)行編程，調(diào)整到正在研究的問(wèn)題，甚至在計(jì)算過(guò)程中實(shí)時(shí)重新配置。?

“不同的問(wèn)題需要將原子置于不同的配置中，”QuEra 的首席執(zhí)行官兼該技術(shù)的共同發(fā)明人 Alex Keesling 說(shuō)。“我們可以完全重新定義量子比特的幾何形狀和連通性?！?/strong>

原子優(yōu)勢(shì)

QuEra 的機(jī)器始于一個(gè)初始藍(lán)圖，并經(jīng)過(guò)了多年的技術(shù)改進(jìn)，研制過(guò)程由哈佛的 Mikhail Lukin 和 Markus Greiner 以及麻省理工學(xué)院的 Vladan Vuleti? 和 Dirk Englund（都在 QuEra 的創(chuàng)始團(tuán)隊(duì)中）領(lǐng)導(dǎo)。2017 年，哈佛小組的早期設(shè)備模型僅達(dá)到了51 個(gè)量子比特；2021 年，他們就達(dá)到了 256 量子比特。QuEra 團(tuán)隊(duì)希望在兩年內(nèi)達(dá)到 1,000 個(gè)量子比特，然后，在不改變物理系統(tǒng)的情況下，他們希望繼續(xù)將系統(tǒng)擴(kuò)展到數(shù)十萬(wàn)個(gè)量子比特以上。

QuEra 獨(dú)特的物理系統(tǒng)——實(shí)現(xiàn)量子比特的物理方式，以及信息編碼和處理的方法——應(yīng)該允許這種規(guī)模的飛躍。

Google 和 IBM 的量子計(jì)算系統(tǒng)使用超導(dǎo)量子比特，而 IonQ 使用離子阱，而 QuEra 的平臺(tái)使用中性原子陣列，產(chǎn)生具有令人印象深刻的相干性（即高度“量子性”）的量子比特。該機(jī)器使用激光脈沖使原子相互作用，將它們激發(fā)到一種能態(tài)——由瑞典物理學(xué)家約翰內(nèi)斯·里德堡于 1888 年描述的一種“里德堡態(tài)”，在這種狀態(tài)下，他們可以以一種更為穩(wěn)定的方式高保真地構(gòu)建量子邏輯門(mén)。這種叫里德堡原子的量子計(jì)算技術(shù)路線已經(jīng)有幾十年歷史，但還是期待更多的技術(shù)進(jìn)步——例如，激光和光子學(xué)，使它更可靠地工作。Keesling 說(shuō)。

“異常的興奮”

當(dāng)計(jì)算機(jī)科學(xué)家、伯克利量子計(jì)算中心主任、計(jì)算機(jī)科學(xué)家 Umesh Vazirani 第一次了解到 Lukin 在沿著這些方向的研究時(shí)，他感到“異常的興奮”——這似乎是一種奇妙的方法，盡管 Vazirani 質(zhì)疑他的直覺(jué)是否符合現(xiàn)實(shí)?！拔覀冇懈鞣N成熟的路徑，例如超導(dǎo)體和離子阱，已經(jīng)研究了很長(zhǎng)時(shí)間，”他說(shuō)?！拔覀冞€應(yīng)該考慮不同的方案嗎？”?他咨詢了加州理工學(xué)院的物理學(xué)家兼量子信息與物質(zhì)研究所所長(zhǎng)約翰·普雷斯基爾（John Preskill），后者向 Vazirani 保證他的興奮是有道理的。

Preskill 發(fā)現(xiàn)里德堡平臺(tái)（不僅僅是 QuEra 的）很有趣，因?yàn)樗鼈儺a(chǎn)生高度糾纏的強(qiáng)相互作用量子比特——“這就是量子魔法所在，”他說(shuō)?！霸谙鄬?duì)較短的時(shí)間內(nèi)就會(huì)發(fā)現(xiàn)意想不到的事情，我對(duì)此感到非常興奮。”

除了用量子計(jì)算機(jī)來(lái)模擬和求解量子材料和動(dòng)力學(xué)，QuEra 還致力于解決NPC的優(yōu)化問(wèn)題的量子算法。“這些確實(shí)是涉及到科學(xué)應(yīng)用，且能展示量子優(yōu)勢(shì)的第一個(gè)例子。”Lukin說(shuō)。

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QuEra 的投資者之一是日本的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)、電子商務(wù)和金融科技公司——樂(lè)天，該公司對(duì)探索優(yōu)化 4G 和 5G 移動(dòng)服務(wù)的天線位置問(wèn)題饒有興趣?！按送猓?strong>該技術(shù)有望解決許多優(yōu)化問(wèn)題，從配送路線、股票投資組合、搜索引擎到推薦算法，”樂(lè)天首席數(shù)據(jù)官Takuya Kitagawa說(shuō)對(duì)此說(shuō)道?！拔覀儔?mèng)想很大。”

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然而，Preskill 在QuEra 的機(jī)器將在優(yōu)化問(wèn)題上勝過(guò)經(jīng)典算法的觀點(diǎn)并不十分樂(lè)觀。這位創(chuàng)造出“量子霸權(quán)”這個(gè)詞的人指出：“我們沒(méi)有強(qiáng)有力的理論論據(jù)，去證明我們會(huì)很快在優(yōu)化問(wèn)題中看到量子優(yōu)勢(shì)。但這當(dāng)然值得深究?！?/p>

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但Preskill 對(duì) QuEra 的計(jì)劃很熱衷，因?yàn)檫@一技術(shù)路線可廣泛用于研究和開(kāi)發(fā)。“讓更多的人混在一起玩機(jī)器，這將有助于弄清楚他們擅長(zhǎng)什么。但希望他們不會(huì)把時(shí)間花在玩俄羅斯方塊和太空入侵者上?！盤(pán)reskill說(shuō)。

文：西伯恩·羅伯茨?

翻譯：王少雙

編輯：王珩