6種不同類型的量子計算技術

6種不同類型的量子計算技術

量子計算作為前沿科技領域，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的原理，通過量子比特（qubit）實現(xiàn)超越經(jīng)典計算的強大計算能力。目前，量子計算技術呈現(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

量子退火使用超導量子比特，但與超導量子計算不同，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)，同時量子隧道效應有助于識別最低能量的解決方案，即最佳方法。

量子退火機的主要優(yōu)勢在于其專注于解決復雜的優(yōu)化問題，其固有并行性和量子隧道效應的使用可以加速這些計算任務。然而，量子退火被認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）技術來提高可靠性。

2、超導

超導量子計算機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體制造技術。然而，超導量子比特對環(huán)境噪聲非常敏感，其使用壽命比其他技術更短。此外，超導量子計算機依賴于低溫冷卻系統(tǒng)，如稀釋制冷機，這增加了成本。Google、IBM、IQM、OxfordQuantumCircuits和RigettiComputing是超導量子技術的主要提供商。AWS在2025年2月推出的原型量子芯片中也使用了超導貓量子比特，該技術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，這使得量子機器能夠運行復雜的算法。另一個優(yōu)點是捕獲離子計算機不需要低溫冷卻，而是依靠更便宜的激光冷卻。然而，捕獲離子計算機通常比其他類型的量子計算機速度慢。

4、中性原子

中性原子量子計算機使用具有凈電荷為零的原子作為量子比特的基礎，通過激光捕獲原子并操控量子比特的狀態(tài)。中性原子技術的一個優(yōu)勢是其可擴展性潛力，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，將中性原子計算機擴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行計算。這種機器使用諸如光束分裂器和相位移器之類的機制來實現(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。使用這種模式的機器通過操控量子比特的自旋狀態(tài)來實現(xiàn)門，從而進行計算。量子點技術的優(yōu)勢在于其半導體連接，這意味著技術提供商可以利用經(jīng)典的制造方法來構建“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備。此外，量子點通常需要低溫冷卻系統(tǒng)，盡管也有其他機制被提出。

拓撲量子比特：新興的希望

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撲量子比特這一新興技術上。這種方法基于拓撲超導性，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)展源于將半導體indiumarsenide與超導體鋁結合在一起的設備制造。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實際實現(xiàn)，而不是停留在理論層面，那將是對該領域非常有前景的方法。微軟在拓撲方法上投入了大量資金，已經(jīng)很多年了。事實上，微軟物理學家在2017年的微軟Ignite會議上與首席執(zhí)行官薩蒂亞·納德拉討論了拓撲物質(zhì)和Majorana方法。一年后，微軟支持的研究人員發(fā)表了一篇關于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？