256 量子比特，QuEra这家创业公司再创新绩

由哈佛大学和麻省理工学院的物理学家创建的QuEra Computing正在尝试用一种不同的量子技术路线来解决很困难的计算任务。

终于，来自哈佛大学和麻省理工学院的物理学家找到了量子计算的杀手级应用：由量子比特制成的马里奥兄弟GIF。量子比特（量子比特）也可以按照太空入侵者的设计、俄罗斯方块或其他任何形状排列——你想让它成为的形状就是量子比特的命令。

由 QuEra 量子比特制成的马里奥。（图片来源：网络）

这些 GIF 来自美国波士顿初创公司 QuEra Computing，一家突然崛起的科技公司，来展示其256 量子比特量子模拟器的可编程性——一种专为解决特定问题而构建的专用量子计算机。

QuEra 的机器在扩展量子计算方面变得更加强大，并实现了解决实际问题的飞跃。更多的量子比特意味着可以存储和处理更多的信息，开发该技术的研究人员一直在竞相提高标准。

2019 年，谷歌宣布其 53 量子比特机器已经实现了量子霸权——执行传统计算机无法完成的任务，但 IBM 对这一说法提出质疑。并且IBM同年也推出了 53 位量子计算机。2020 年，IonQ推出了一个 32 量子比特系统，并且称该系统是“世界上最强大的量子计算机”。就在本周，IBM 推出了新的 127 量子比特的处理器，新闻稿称其为“设计的小奇迹”。IBM 量子计算副总裁 Jay Gambetta 说：“就我看来，最大的新闻应当是它可以实用。”

现在，QuEra 声称已经制造出具有比任何竞争对手都多很多的量子比特的设备。

当然，量子计算的最终目标不是玩俄罗斯方块，而是在解决实际问题上超过经典计算机。技术狂热者认为，当这些计算机变得足够强大时，可能会在医学和金融、神经科学和人工智能等领域在一俩年内就带来变革性影响。届时量子计算机可能需要数千个量子比特来完成如此复杂的应用。

然而，量子比特的数量并不是唯一重要的因素。

QuEra 还宣传其设备具有增强的可编程性，其中每个量子比特都是一个单一的超冷原子。这些原子通过一系列激光（物理学家称之为光镊）精确排列。定位量子比特允许对机器进行编程，调整到正在研究的问题，甚至在计算过程中实时重新配置。

“不同的问题需要将原子置于不同的配置中，”QuEra 的首席执行官兼该技术的共同发明人 Alex Keesling 说。“我们可以完全重新定义量子比特的几何形状和连通性。”

原子优势

QuEra 的机器始于一个初始蓝图，并经过了多年的技术改进，研制过程由哈佛的 Mikhail Lukin 和 Markus Greiner 以及麻省理工学院的 Vladan Vuletić 和 Dirk Englund（都在 QuEra 的创始团队中）领导。2017 年，哈佛小组的早期设备模型仅达到了51 个量子比特；2021 年，他们就达到了 256 量子比特。QuEra 团队希望在两年内达到 1,000 个量子比特，然后，在不改变物理系统的情况下，他们希望继续将系统扩展到数十万个量子比特以上。

QuEra 独特的物理系统——实现量子比特的物理方式，以及信息编码和处理的方法——应该允许这种规模的飞跃。

Google 和 IBM 的量子计算系统使用超导量子比特，而 IonQ 使用离子阱，而 QuEra 的平台使用中性原子阵列，产生具有令人印象深刻的相干性（即高度“量子性”）的量子比特。该机器使用激光脉冲使原子相互作用，将它们激发到一种能态——由瑞典物理学家约翰内斯·里德堡于 1888 年描述的一种“里德堡态”，在这种状态下，他们可以以一种更为稳定的方式高保真地构建量子逻辑门。这种叫里德堡原子的量子计算技术路线已经有几十年历史，但还是期待更多的技术进步——例如，激光和光子学，使它更可靠地工作。Keesling 说。

“里德堡态”中性原子阵列（图片来源：网络）

“异常的兴奋”

当计算机科学家、伯克利量子计算中心主任、计算机科学家 Umesh Vazirani 第一次了解到 Lukin 在沿着这些方向的研究时，他感到“异常的兴奋”——这似乎是一种奇妙的方法，尽管 Vazirani 质疑他的直觉是否符合现实。“我们有各种成熟的路径，例如超导体和离子阱，已经研究了很长时间，”他说。“我们还应该考虑不同的方案吗？” 他咨询了加州理工学院的物理学家兼量子信息与物质研究所所长约翰·普雷斯基尔（John Preskill），后者向 Vazirani 保证他的兴奋是有道理的。

Preskill 发现里德堡平台（不仅仅是 QuEra 的）很有趣，因为它们产生高度纠缠的强相互作用量子比特——“这就是量子魔法所在，”他说。“在相对较短的时间内就会发现意想不到的事情，我对此感到非常兴奋。”

除了用量子计算机来模拟和求解量子材料和动力学，QuEra 还致力于解决NPC的优化问题的量子算法。“这些确实是涉及到科学应用，且能展示量子优势的第一个例子。”Lukin说。

QuEra 的投资者之一是日本的互联网服务、电子商务和金融科技公司——乐天，该公司对探索优化 4G 和 5G 移动服务的天线位置问题饶有兴趣。“此外，该技术有望解决许多优化问题，从配送路线、股票投资组合、搜索引擎到推荐算法，”乐天首席数据官Takuya Kitagawa说对此说道。“我们梦想很大。”

然而，Preskill 在QuEra 的机器将在优化问题上胜过经典算法的观点并不十分乐观。这位创造出“量子霸权”这个词的人指出：“我们没有强有力的理论论据，去证明我们会很快在优化问题中看到量子优势。但这当然值得深究。”

但Preskill 对 QuEra 的计划很热衷，因为这一技术路线可广泛用于研究和开发。“让更多的人混在一起玩机器，这将有助于弄清楚他们擅长什么。但希望他们不会把时间花在玩俄罗斯方块和太空入侵者上。”Preskill说。

文：西伯恩·罗伯茨

翻译：王少双

编辑：王珩

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