选自《自然之心机器》编译:蒋思远、吴攀
谷歌、微软以及一批实验室和创业公司正在竞相将量子计算从一个纯粹的科研项目变成一个可以投入生产和应用的产品。
在实现量子计算的道路上，利用真值空中囚禁的单个离子进行量子计算是发展最快的方法之一。
长期以来，人们普遍认为量子计算是一项至少需要20年发展才能应用的技术，这一观点似乎从未改变。但在2017年，这项技术有望开始延伸到纯科研领域之外！
像谷歌和微软这样的计算巨头最近聘请了该领域的一些领军人物，并为今年设定了一些具有挑战性的目标。他们的雄心反映了创业公司和学术研究实验室正在发生的更广泛的转变:量子计算从纯科学研究到工程应用的转变。
“人们真的会创造东西，”马里兰大学帕克分校的物理学家克里斯托弗·门罗(Christopher Monroe)说，他在2015年联合创立了初创公司IonQ。“这是前所未有的，它不再仅仅是研究。」
谷歌在2014年就开始了超导量子计算的研究。该公司希望在今年实现超越最强大的“经典”超级计算机的量子计算机——这也被视为实现“量子霸权”的里程碑。它的竞争对手微软正在押注一个有趣但仍未被证实的概念——拓扑量子计算。微软希望实现这种计算的首次演示。
此外，量子计算创业也在升温。门罗计划在今年年初开始招募。Robert Schoelkopf是耶鲁大学的物理学家，他是量子电路的共同创始人，Chad Rigetti是前IBM应用物理学家，在加州伯克利创建了Rigetti，他们都表示，他们预计他们将很快达到一个关键的技术里程碑。
学术实验室也差不多。“我们已经确认了我们需要的所有组件和功能。Schoelkopf表示，他继续领导耶鲁大学量子计算机的研发团队。他和其他研究人员表示，尽管仍需要许多物理实验来找到结合这些成分的方法，但现在的主要挑战是工程。目前，量子比特数量最多的量子计算机正在奥地利因斯布鲁克大学Rainer Blatt领导的学术实验室进行测试。
经典计算机将信息编码成两种状态的比特，而组成量子计算机的量子比特可以以“叠加”的形式同时处于这两种状态。此外，量子比特还有另一种能力叫做“纠缠”——它们可以共享量子态。这些能力允许量子计算机同时进行大量的计算。此外，理论上，每增加一个量子位，这些同时计算的数量就会增加一倍，这可以导致指数级加速。
这种快速性应该使量子计算机能够执行特定的任务，例如搜索大型数据库或因式分解大数——这样的任务有时对于较慢的经典计算机来说是不可能的。量子计算机还可以作为研究工具进行量子模拟，这样化学家可以前所未有的详细了解化学反应，或者物理学家可以设计室温超导材料。
如今，关于如何构建量子比特，有许多相互竞争的设计，但仍然有两个领导者。虽然量子态容易因外界干扰而消相干，但都证明了量子比特具有长时间存储信息的能力，可以进行逻辑运算。Schoelkopf帮助量子计算先驱的一种方法是将量子状态编码为超导回路中的振荡电流。这种方法也被Google、IBM、Rigetti和Quantum Circuits广泛接受。IonQ和几大学术实验室追求的另一种方法是通过电磁场对真空阱中单个离子的量子比特进行编码。
马丁尼在加州大学圣巴巴拉分校工作。2014年谷歌聘用他和他的研究团队时，他说超导技术的成熟让他的团队制定了一个雄心勃勃的量子霸权目标。
他们的团队计划使用“混沌”量子算法来实现这一点，该算法产生类似随机输出的结果。如果算法运行在由相对较少的量子位组成的量子计算机上，那么经典计算机就可以预测它的输出。该团队预测，一旦量子计算机拥有近50个量子位，即使是最强大的经典超级计算机也赶不上它。
虽然计算结果没什么用，但会证明量子计算机在某些任务上是无法匹敌的。马丁尼说，这是一个重要的心理门槛，会吸引潜在客户的注意力。他说，“我认为这是一个开创性的实验。」
然而，Schoelkopf并不认为量子霸权是一个“非常有趣和有用的目标”，部分原因是它避免了纠错的挑战:系统有能力在轻微扰动后将其信息恢复到量子位，这比量子位的增加更困难。相反，量子电路从一开始就专注于构建一个完整的纠错机器。这需要构建更多的量子位，但机器也可以运行更复杂的量子算法。
门罗希望在不久的将来实现量子霸权，但那并不是IonQ的主要目标。他说，这家初创公司的目标是建造32或64量子位的机器，离子阱技术让他们的设计比超导电路更灵活，更具可扩展性。
与此同时，微软正在押注一项尚未得到验证的技术。量子计算依赖于处于激发态的物质——它们通过像辫子一样相互缠绕来编码信息。与其他技术相比，这种量子位中存储的信息对外界干扰的抵抗力更强，纠错更容易。
到目前为止，还没有人创造出这种激发所需要的这种物质状态，更不用说拓扑量子比特了。但是微软聘请了这一领域的四位顶尖专家，包括荷兰代尔夫特大学的利奥·考恩霍文，他创造了一种看似正确的激励方式。“我告诉我的学生，2017年是编织年。Kouwenhoven表示，他将在代尔夫特大学建立一个微软实验室。
其他研究人员更加谨慎。布拉特说，“我不做任何关于未来的新闻发布。」
科罗拉多州博尔德市国家标准与技术研究所的物理学家大卫·温兰领导着一个研究离子阱的实验室。他也不愿给出一个确定的预测:“我对长期的未来持乐观态度，但我不知道“长期”是什么意思。」
