量子计算硬件发展百家争鸣

2017年，我曾写过一篇科普《如何制造一台量子计算机》，当时我重点介绍了离子阱和超导电路两种技术路线，也提及了硅基量子点、拓扑量子计算和金刚石色心等候选路线。我本以为随着时间的推移，技术上会很快收敛，用哪种路线研发实用的量子计算机将会逐步清晰。五年过去了，量子计算机硬件还处于群雄逐鹿中原，四方混战百家争鸣的阶段，技术还远没有收敛。

下面我简要分析一下这些技术路线。

第一类技术路线就是跟光有关的，或者跟原子、分子物理有关的量子计算机。我们可以用单光子，单个原子，用离子阱这种悬浮起来的离子，或者用光悬浮起来的原子作为量子比特。由于这些系统天然是微观和全同的，用于量子信息的载体很自然。基于离子阱的技术路线发展最早最成熟，目前可以实现几十个原子全联通的高精度操控。基于单光子的技术路线近年来也有迅速发展，比如九章原型机实现了量子优越性。而基于里德堡原子的冷原子光镊阵列技术，最近几年发展迅猛，大有弯道超车的趋势。

第二类技术路线是基于固体材料的，我们可以用超导电路，还可以用现有的硅基芯片。对超导电路量子计算的介绍已经很多了，这方向技术发展大。而硅基量子点芯片技术，最近5年发展迅猛。在硅基芯片上面，注入一个个的单原子的量子点，已实现6个原子阵列的制备，表征和测控，并实现了高精度的量子逻辑门。最后，还有人结合硅基芯片与光子系统的特点，开发基于硅基系统的集成光学系统，用于实现量子计算。这个技术也需要对硅基芯片做光刻，但所需精度比硅基量子点技术路线要低很多。

不同的技术路线均有庞大的跨国公司产业集团支持。基于硅基芯片的量子计算技术，谁最支持？自然是以英特尔为代表的传统计算芯片制造商。硅基量子点技术路线，英特尔是大规模投入了的。而国际排名前三的芯片工厂格芯（Global Foundries） 则投入了硅基光子技术路线，与创业公司Psi Quantum合作。发展硅基量子点量子计算，少不了高精度光刻机的支撑。没有成熟的光刻机，哪怕是硅基光量子计算发展也有瓶颈。而超导量子计算机，是IBM押注的技术，它们在1980年代鼓吹过超导电子计算机，有很多技术积累。在量子计算机时代正好用上了。此技术路线，少不了低温电子学技术的支撑。

这看起来就类似前些年的氢燃料电池与锂电池技术之争。除了技术本身的竞争之外，背后更重要的其实是市场，产业链，乃至国家政府间的竞争。实际上任何一条量子计算路径都离不开传统信息产业技术的支撑。所以量子计算技术落地，很可能会是以量子与经典混合计算的形式出现。