坚持囚禁离子技术的量子计算公司

美国量子计算机初创企业 ionQ 有三位核心成员：马里兰大学物理学家 Chris Monroe，杜克大学电气工程师 Jungsang Kim， 以及原本供职于美国情报部门 IARPA（“高级研究计划署”）的 David Moehring.其中，前两位是公司创始人，是研究囚禁离子（trapped ions）的专家。而 David Moehring 是他们雇来的 CEO.

今年九月，这三位还在马里兰大学讨论量子计算的前景，包括为什么利用囚禁离子能制造出理想的量子计算机––它有完美的再现性（reproductivity），长生命周期，不错的激光可控性。

这三人有一个共同观点：量子计算的黄金时代即将到来。它将利用量子力学，为电脑运算带来指数级得巨幅加速。持同样观点的不仅仅有他们。科技巨头英特尔、微软、IBM，谷歌都在向量子计算投入千万美元的研发资金。但是，他们在对不同的量子计算技术下赌注–––没有人知道，采用哪种量子比特（qubit）能造出有实用价值的量子计算机。

图表：量子计算五大技术流派

被看做是量子计算领域领头羊的谷歌，已经做出了选择：极小的超导电路。谷歌已制造出 9 量子比特的机器，并计划明年增加至 49 量子比特。这是一个极为关键的门槛。学者预计，在 50 量子比特左右，量子计算机就能达到“量子霸权”（quantum supremacy）。这是加州理工学院物理学家 John Preskill 发明的名词，用来指示“量子计算机在一些领域有传统计算机所不具有的能力”，比如在化学和材料学里模拟分子结构，还有处理密码学、机器学习的一些问题。

IonQ 团队并没有因谷歌的成功而气馁。Jungsang Kim 说：“我不认为谷歌能在下个月宣布成功研制量子计算机。退一步讲，即便他们成功了，游戏也不会结束。” IonQ 坚持使用囚禁离子，它是世界上第一个量子逻辑门背后的技术。那是一个 1995 年完成的项目，Chris Monroe 是参与者之一。使用精确调整的激光脉冲，Monroe 能把离子打入持续数秒的量子态， 这远超谷歌的量子比特。Jungsang Kim 开发了一个把不同离子群连接到一起的模块化方案。如该方法奏效，ionQ 就能快速扩大量子比特的规模。但直到现在，他们只成功地把五个量子比特加入到可编程设备中。

Chris Monroe 承认，现在很多人把囚禁离子看作是“害群之马”，但他坚信，将来人们会蜂拥加入到囚禁离子阵营中。

是否会如此还很难说。但有一件事是肯定的：制造量子计算机已经从科学家们的一个遥远的梦想，变成了科技巨头们想要立刻实现的目标。ionQ 就是这浪潮中想要分一杯羹的参与者。虽然超导量子比特技术现在是行业领头羊，专家们认为，现在宣布超导量子比特的胜利，还为时过早。量子信息学非正式院长 Preskill 说：“不同的量子技术在同时发展，这是一件好事。因为很可能会有惊喜发现，然后带来量子计算领域的革新。”

量子计算机凭什么超越传统计算机？

量子比特相比传统计算机比特更强大，是由于两个独特的量子现象：叠加（superposition）和纠缠（entanglement）。量子叠加使量子比特能够同时具有 0 和 1 的数值，可进行“同步计算”（simultaneous computation）。量子纠缠使分处两地的两个量子比特能共享量子态，创造出超叠加效应：每增加一个量子比特，运算性能就翻一倍。比方说，使用五个纠缠量子的算法，能同时进行 25 或者 32 个运算，而传统计算机必须一个接一个地运算。理论上， 300 个纠缠量子能进行的并行运算数量，比宇宙中的原子还要多。

这种超大规模的并行计算，对于处理日常任务其实没什么用。没有人认为量子计算机会颠覆文字处理和 email.但对于需要同时探索无数条路径的算法，还有对海量数据库的搜索，量子计算能极大地提高速度。它能被用来寻找新的化学催化剂，对加密数据的海量数字作因子分解（factoring），或许还能模拟黑洞和其他物理现象。

但有一个主要的陷阱––量子叠加和纠缠状态极度得脆弱，能被环境中的细微扰动所打破，这包括了任何测量它们的尝试。量子计算机需要被保护起来，与耶鲁大学物理学家 Robert Schoelkopf 描述的“汪洋般的混乱”（a sea of classical chaos）隔离开来。

虽然量子计算的理论在 1980 年代就开始出现，直到 1995 年才有了第一次实验。贝尔实验室的数学家 Peter Shor，向人们展示量子计算机可以对大量数字快速因子分解––若能实现，这会使现代密码学的大部分发明过时。Peter Shor 和其他人还展示了，若使用临近量子比特修正错误，让脆弱的量子比特永远保持稳定状态在理论上是可能的。

顿时，物理学家和他们的资助者相信，量子计算机未必会出现一大堆运算错误，他们有了充足的理由去尝试造一台量子计算机。那时，诺贝尔物理学奖获奖者，在 NIST（美国国家标准与技术研究院）工作的 David Wineland 已经开始了对使用激光冷却离子、并控制他们内在量子态的研究。ionQ 的创始人 Chris Monroe 那时就在 NIST 工作，他与 David Wineland 一起造出了第一个量子力学逻辑门，使用激光控制铍离子的电子态。有着和 Wineland 研究离子的经验，Chris Monroe 表示，成为早期量子计算实验领头羊的机会，落在了他们手中。