硅半导体在计算领域取得了令人瞩目的进步。但即使它们能持续不断地变得更快、更强大（尽管实现这一点越来越困难），经典计算的能力也是有限的。
计算领域的下一个真正游戏规则的改变者是量子计算——利用材料的量子力学特性来处理信息，这将使当今最大、最强大的超级计算机看起来像掌上计算器。科学家们，在 IBM 等地方，正首次超越单纯的理论研究，开始设想一台完整的量子计算机将如何工作。在全球的实验室里，第一台量子计算机的第一个构件正慢慢成为现实。
考虑到一台能工作的量子计算机将真正地改变我们的世界，这意义重大。凭借一台相对适中的量子计算机，科学家们可以破解复杂的加密方案，以前所未有的精度模拟量子系统，并以无与伦比的效率筛选复杂、非结构化的数据库。
但首先，他们必须制造出一台。
量子计算的概念在 20 世纪 80 年代初由物理学家理查德·费曼提出，该领域仍处于非常初级的阶段。但作为一个学科，它正迎来一个关键转折点，理论与实践相结合。制造量子计算机的方法不止一种，现在断言哪种（如果有的话）方法将产生一个能工作的系统还为时过早。但在所有这些利用量子世界的不同方法中，有一个共同点：那就是 量子比特。
就像它们的经典对应物一样，量子计算机也依赖于信息单元。在经典世界中，这是一个比特（一个字节通常由八个比特组成），每个比特可以存在于两种状态之一：0 或 1。你所有的数据——你的 MP3、你的短信、你的文档、你的 Tumblr——都不过是比特组成的序列。
比特的量子对应物称为量子比特。与比特不同，量子比特可以是一个 0，一个 1，或者处于叠加态，在量子行话中，这基本上意味着它同时是 0 又是 1。这就是我们进入量子属性的奇异领域，一切都与直觉相悖。“你从你的量子态中所有可能的答案的海洋开始，然后设计你的算法来剥离错误的答案，直到正确的答案出现，”IBM 研究院实验量子计算研究团队的经理 Matthias Steffen 说。你不需要一次只考虑一个问题的解决方案，而是可以同时考虑多个可能的解决方案。
在我们与这种令人费解的计算回报之间，存在着巨大的挑战。在量子尺度上工作通常意味着在极低的温度下工作，通常接近绝对零度。粒子本身是极其不稳定的。相干时间——精心培育的量子系统在量子态崩溃之前可供计算机读取的时间——以微秒计。而且，由于量子计算本身固有误差，量子计算机必须不断地纠正错误。
然后就是测量量子态的问题，这往往会导致它们崩溃。这需要掌握量子关联或 量子纠缠——一种奇怪的量子现象，它将两个粒子的状态联系起来，即使跨越了距离，影响一个也会影响另一个——这样研究人员才能在不破坏它们的情况下实际测量他们的量子系统。毋庸置疑，这一切都非常困难。
因此，研究人员正从小处着手，将他们的智慧和研究资金投入到开发单个、稳定的量子比特——最终是几十个、几百个，然后是几千个、几万个量子比特的串。那么未来的量子计算机可能是什么样的？我们还不完全确定，但有几种有前景的方法。
人造原子
制造量子比特的方法不止一种。你真正需要的是能够提供两种不同且确定的量子能级的东西，作为经典方案中 0 和 1 的模拟。许多潜在的量子比特是自然现象，操纵原子核、离子或电子的量子特性，将信息编码到量子系统中。但如果我们能人为地制造出具有我们想要的任何特性的量子比特呢？
这种方法催生了整个量子计算研究领域，旨在完善超导量子比特。不出所料，IBM 研究院已成为该领域的领导者之一，因为这种方法非常契合该公司在超导、微细加工方面的专长——也许最重要的是——将技术规模化为成品。
抛开复杂的物理学，很容易将超导量子比特视为一个人造原子。从技术上讲，超导量子比特涉及两种超导材料，它们通过一个称为约瑟夫森结的器件运行一个振荡电流。通过量子物理学的魔力，它允许量子比特在众多可能的电流频率中选择两个，并将这些频率用作经典的 0 和 1（这里涉及大量的量子力学，我们在此不详述，但可以肯定的是，控制这些振荡满足了量子比特的基本要求）。
超导量子比特的主要优点是它们可以制造，因此易于定制，并最终可扩展到拥有数百或数千个量子比特的大型量子计算机。但即使是 IBM 的团队——他们最近 展示了创纪录的相干时间（长达 10-100 微秒）和 95% 的成功率的门操作——也知道现在说他们的方案是赢家还为时过早。
“超导方法具有巨大的潜力，我们认为它是领跑者，这就是我们正在努力的原因，”领导 IBM 研究院信息物理学研究项目的物理学家 Mark Ketchen 说。“但现在还处于早期阶段，情况可能会发生变化。五年后，系统可能会截然不同。”
利用电子自旋
这是因为超导量子比特远非唯一选择。在哈佛大学，Amir Yacoby 博士正在探索通过 量子点（具有独特电子特性的微小半导体晶体）中电子的自旋来编码信息的可能性。广义上讲，电子有两种可能的自旋状态——称之为左和右——它们可以代表经典比特的 0 或 1 状态。当电子被困在量子点中时，它们的自旋可以被测量和操纵。但这引入了一个在量子计算中普遍存在的问题。
这与薛定谔的猫引入的同一个问题相同，这是处理量子系统时一个常见的悖论问题（要更深入地理解这一切，请阅读 臭名昭著的猫 和 量子纠缠）。为了创建一个可用的量子比特，研究人员想要一种能够很好地与其环境解耦的东西，一种不会受到外部因素影响的东西。同时，也需要有一种东西可以被外部力量操纵，以便能够控制计算。
找到一个能满足一个可行的量子计算系统这些矛盾需求的东西并不容易，但电子自旋在很大程度上可以满足悖论的双方。从原子学的角度来看，自旋可以持续很长时间，所以你可以将信息编码到自旋中，它会在系统中存在相对较长的时间，有助于提高相干性。被困在量子点中的电子可以被诱导与它们的环境解耦，同时仍然对弱磁场做出反应——这些磁场足够弱且可预测，即使它们将产生错误的噪声引入量子系统，相对也更容易纠正这些错误。
尽管如此，自旋并非免疫于困扰许多量子计算社区的问题，他们正试图用非常小的粒子做非常大的事情。与超导量子比特一样，量子点计算也必须在非常低的温度下进行——大约是绝对零度以上十分之一度。撇开所有的量子复杂性不谈，在制造一个拥有几个量子比特以上的系统方面所固有的工程挑战是艰巨的。但 Yacoby 并不气馁。
“我认为在我们面临将一千或一万个量子比特冷却下来的工程挑战之前，我们会遇到很多发现，”Yacoby 说。“我很有信心——非常有信心——在我们有生之年将达到那个水平。”
捕获离子
但你不需要深入到亚原子级别就能找到优秀的量子比特候选者。离子——电子和质子不平衡、带有净电荷的原子——可以成为极好的量子比特，其中原子核的自旋代表 0/1 经典状态。离子被电场捕获并在真空室中激光冷却，从而很好地与可能干扰其脆弱量子态的外部因素隔离开，使其具有非常长的相干时间。它们带电的事实也使它们比中性原子更容易被操纵——通过电场。
但虽然在真空室中捕获一个离子（甚至几个离子）相对容易，但一个依赖于高度调谐的电场和需要非常精确地开关的冷却激光的系统，随着每个额外离子的增加，其复杂性会急剧增加。当你开始考虑几十个或几百个量子比特时，扩展这种系统的想法就成了主要挑战。
“我们无法像制造晶体管那样，在芯片上制造一百万个或一千万个，”华盛顿大学 捕获离子量子计算小组 的物理学副教授兼首席研究员 Boris Blinov 说。“这就是我们今天扩展常规计算机的方式。对于离子，你必须找到一种方法，将它们安排在一个位置，使它们能够以量子计算所需的方式进行交互。从这个角度来看，离子处于劣势。”
Blinov 和他的团队正在通过采用多个微细加工离子陷阱的模块化方法来规避这个问题。每个类似芯片的陷阱将容纳几个离子——但不是太多——并且芯片之间的交互将通过光纤电缆网络将光子传输到系统中来实现。通过将这些单光子与捕获的离子纠缠并将它们传输到系统中，系统不同芯片上的离子可以在量子层面进行交互。
听起来很烧脑？确实如此。但通过处理钡离子，Blinov 和他的团队正在取得缓慢而稳步的进展。如果他们或其他研究小组能够解决可扩展性问题——而目前，这个领域“如果”比比皆是——离子可能成为未来量子计算机中可行的量子比特。
未来的超级计算机
当然，上述任何一种潜在的量子比特以及全球物理界不断推进的许多其他量子计算方法都可以说同样适用。最终产生一台能工作的量子计算机的方法——也许在未来十年内，也许更久——可能就是上述其中一种，一种刚开始被研究的新途径，或者是一种尚未被构想出来的。
“记住，这仍然是一项科学事业，这一点非常重要，”哈佛大学的 Yacoby 说。“我们的轨迹会不断被我们发现的事物所打断。有时我们认为一件事是这样，结果却不是。这可能是一种障碍，但其中一些发现最终会成为量子飞跃。我们正在发现我们前进过程中不知道的事情，并且我们的轨迹正在被纠正。”
但尽管前方的道路笼罩在神秘的量子迷雾中，但对于一台完成的量子计算机将是什么样子，还是有一些共识的。首先，它将有一个经典组件，它将实际运行量子计算机内的量子算法。它将是巨大的，由一台经典超级计算机和量子计算机组成，后者——取决于量子比特——可能是一系列真空室和光学平台，或者是一排排用于将粒子冷却到接近绝对零度的超低温室（或者完全是其他东西）。
这种构造，无论是什么，本身就构成了一个挑战。当温度降低时，经典电子的性能会越来越差，所以连接需要低温的经典和量子计算机将需要目前技术无法充分解决的工程壮举。但总的来说，那些从事量子计算领域工作的人相信，在他们构建完美量子比特的时间里，实际的工程问题也会自行解决。当它们解决时，研究人员相信我们将解锁一种计算能力，这种能力将极大地影响人类知识的整个范围——甚至以我们尚未想到的方式。
“要准确预测计算的发展方向并不容易，”IBM 的 Steffen 说。“如果你去问发明晶体管的人，他们想象不到它最终会带来什么。量子计算也是如此。”
