Google、Microsoft 和其他公司正在竞相破解开放量子计算。以下是他们的突破是如何叠加的。
快速阅读: 据《商业内幕》最新报道，亚马逊、谷歌、IBM和微软纷纷研发量子计算机，各具特色。微软推出拓扑量子比特芯片，谷歌通过Willow芯片降低错误率，亚马逊的Ocelot芯片提升了量子纠错效率，IBM则专注于提高门操作质量和模块化设计。尽管各公司取得进展，但量子计算仍处于初级阶段，未来还需克服诸多挑战。
科技巨头亚马逊、谷歌、IBM和微软正在竞相开发功能性量子计算机。每家公司都发布了具有不同方法和潜在应用的量子芯片原型。该领域正在迅速发展，但在商业化之前仍有许多重大障碍需要克服。量子竞赛正在升温。科技巨头亚马逊、谷歌、IBM和微软最近各自宣布了在原型芯片方面的进展，加快了开发商用量子计算机的步伐，这种计算机可以比经典计算机更快地解决一些宇宙中最棘手的问题。量子计算是一个快速发展领域——尽管目前仍然主要是理论性和高度技术性的。但是一旦破解它，可以帮助发现新药物、开发新的化学化合物或破解加密方法等，研究人员表示。
自然地，大型科技公司中的每一个主要玩家都想成为将量子计算推向主流的人。“你经常听到这个话题，因为这是一个真正的转折点，”亚马逊网络服务量子硬件主任奥斯卡·佩恩特在接受《商业内幕》采访时说。这之后是公司的猎豹芯片的公告。请继续关注——接下来的内容会更复杂。经典计算使用二进制数字——0和1，称为比特(bit)来表示信息，而量子计算依赖于由量子比特(qubit)构建的基础。当它们在足够大的规模上表现稳定时，量子比特允许量子计算机快速计算具有多个解决方案的方程，并执行经典计算机无法完成的高级计算。然而，量子比特不稳定，行为难以预测。它们需要特定条件，如低光和极冷环境以减少错误。随着量子比特数量增加，错误率也会上升，导致该领域进展缓慢。小型量子计算机已经存在，但竞赛在于扩大规模并使其对更广泛的受众有用，而不仅仅是科学家。
最近，亚马逊、谷歌和微软宣布了新的原型芯片，而IBM则在其现有的量子路线图中取得了进展。每家公司都在使用独特的方法来解决长期困扰该领域的错误减少和可扩展性问题，使其成为现实的量子计算。以下是每种方法的对比。
微软
微软的Majorana 1芯片是首个由拓扑量子比特驱动的量子计算芯片。微软量子方法：拓扑量子比特。最强大的机器：Majorana 1。今年2月，微软推出了其新的量子芯片Majorana 1。目标是使该芯片能够将大规模量子计算机的开发时间从几十年缩短到几年。微软表示，该芯片使用了一种新的物质状态来生成“拓扑”量子比特，这些量子比特更不容易出错且更加稳定。本质上，这是一种基于物质拓扑态的量子比特，不是液体、气体或固体。因此，这些量子粒子可以在一段时间内保留其位置“记忆”，并在彼此周围移动。信息因此可以存储在整个量子比特中，所以即使某些部分失效，拓扑量子比特仍能保持关键信息，变得更加容错。
“微软的进步是最难理解的，因为它非常专业，”量子计算初创公司Welinq创始人汤姆·达拉斯说。“即使是行业内的专家也很难评估这些结果的质量。”量子专家一致认为，微软仍需克服许多障碍，其经过同行评审的《自然》论文仅展示了其研究人员声称实现的部分内容——但在量子生态系统中的一些人看来，这是一项有希望的结果。
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谷歌
谷歌的研究人员正试图逆转一个长期存在的量子比特问题。谷歌量子方法：超导量子比特。最强大的机器：Willow。去年12月，谷歌宣布了Willow，这是该公司最新的量子芯片，据称只需5分钟就能解决一个需要世界最快超级计算机10 septillion年才能解决的问题。或许更令人印象深刻的是谷歌在量子计算机扩展方面取得的突破。历史上，添加更多量子比特和提高计算机性能的同时，错误率也会增加。而在Willow上，谷歌的研究人员表示，向量子处理器添加更多物理量子比特实际上减少了错误，逆转了通常的现象。被称为“阈值以下”的成就标志着一个重要里程碑，解决了自1990年代以来一直存在的问题。在《自然》杂志发表的一项研究中，谷歌的研究人员提出这一突破可能最终提供一种构建有用的大规模量子计算机的方法。然而，这在很大程度上仍然是理论性的，现在谷歌需要在实践中证明这一点。
亚马逊
在加州帕萨迪纳的AWS量子计算中心，一个超导量子比特量子芯片被焊接在电路板上。亚马逊网络服务量子方法：超导量子比特。最强大的机器：Ocelot。今年2月底，亚马逊网络服务宣布了其Ocelot芯片，这是一种旨在推进公司云量子计算重点的原型。一位亚马逊发言人告诉《商业内幕》，Ocelot原型展示了相比传统方法提高90%的量子错误校正效率。该芯片利用了一种独特的架构，集成了猫量子比特技术——以著名的薛定谔的猫思想实验命名——以及可以从电子工业过程中借用的额外量子错误校正组件。
最后壁公司（一家提供量子抗性技术的网络安全提供商）的首席技术官特洛伊·尼尔森告诉《商业内幕》，亚马逊的Ocelot芯片是构建功能性量子计算机的重要组成部分。然而，它的错误率需要显著降低，芯片在实际应用前还需更高密度的量子比特。“前方有很多挑战。亚马逊在错误校正方面获得的提升是以控制系统和芯片读出的复杂性和精密性为代价的，”尼尔森说。“我们仍在原型阶段，还有多年的时间要走，但他们已经向前迈出了一大步。”
IBM
CES展会上，IBM展示这款量子计算机Q系统一号。罗斯·D·弗兰克林/美联社。量子方法：超导量子比特。最强大的机器：Condor。IBM一直是量子计算的领跑者，拥有多种不同的原型芯片及其开发的Q系统一号，这是第一个基于电路的商用量子计算机，于2019年1月发布。IBM的Condor芯片是该公司在量子比特数量方面最强大的芯片。然而，自其开发以来，IBM将其方法集中在门操作的质量和使其新型量子芯片模块化上，以便将多个较小、更少错误的芯片组合成更强大的量子计算机器。Condor，迄今为止第二大量子处理器，在2023年12月4日的IBM量子峰会上亮相。同时，IBM还推出了Heron芯片，这是一款具有133个量子比特的处理器，错误率更低。
量子电路联合创始人兼首席科学家罗伯·舒尔科普夫告诉《商业内幕》，IBM优先考虑“错误缓解”而非传统的错误校正方法。虽然舒尔科普夫称IBM在此方法下的“蛮力扩展”已见成效，但他指出，这种方法长期来看需要优化以提高效率。
谁领先？
马里兰大学理论凝聚态物理学家桑卡尔·达斯·萨尔马告诉《商业内幕》，与竞争对手相比，亚马逊网络服务Ocelot芯片、谷歌的Willow和IBM的Condor采用了更为传统的超导方法。相比之下，微软的方法基于拓扑Majorana零模式，其中也有超导体，但方式完全不同，他说。如果Majorana 1芯片运行正确，达斯·萨尔马补充道，它在拓扑保护下几乎不需要错误校正，而其他科技公司声称他们改进了传统的错误校正方法。不过，每家公司的方法都非常不同，达斯·萨尔马说。“目前评论谁领先还为时过早，因为整个领域基本上还处于初步发展阶段。”大型科技公司在宣传成果时应谨慎，避免“提高期望”。量子计算初创公司Pasqal的首席执行官乔治-奥利维尔·雷蒙德说。“否则，可能会造成失望。”
IBM量子采用和业务发展副总裁斯科特·克劳德也表达了同样的观点，他告诉《商业内幕》，他担心过度炒作可能导致人们在量子技术实现其潜力之前就对其失去信心。“我们认为我们正处于展示量子优势的边缘，”克劳德说，指的是当量子计算机超越经典机器时。“但业界距离实现完全容错的量子计算机还有数年时间。”
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