微軟、Atom Computing 公布最新量子運算進展

在量子運算這個領域，從小型新創到科技巨頭，目前有數十家公司在投入研發，各自嘗試找出通往實用化的道路。我們的報導通常聚焦於新技術或重大里程碑，但這容易忽略一個事實：任何重大突破，必然建立在許多漸進式的進步之上。過去幾週，就有兩家公司發表了進度報告，說明他們如何讓技術更接近一般用途。雖然這些進展算不上重大突破，但對這項技術的演進來說，缺一不可。本文希望呈現的是：把我們推向實用境界的那種扎實功夫。

微軟：從材料科學下手

微軟是少數投入「拓撲量子位元」（topological qubits）研究的企業之一，這類位元利用粒子被侷限時產生的特殊物理現象。微軟的系統是將一根細超導線放在半導體之上。在超導體中，電子會兩兩成對形成「庫柏對」。但如果這條線中的傳導電子數為奇數——也就是只有一個未配對的電子——這個電子會被離域到線的兩端。（因為量子力學就是這麼怪。）至少，理論學家是這樣描述的行為。在微軟能據此打造量子位元之前，必須先確認這種行為真的會如理論預期發生。過程並不順利。該領域早期的部分研究後來遭到撤稿，而微軟試圖證明其物理現象站得住腳的努力，也因為展示的系統雜訊過大而遭到一些質疑。即便如此，微軟仍按照既定藍圖，著手以成對的奈米線來建構量子位元。本週，微軟發表更新報告，指出透過更換用於製造量子位元的材料，效能有了大幅提升。在較早的硬體版本中，微軟使用鋁作為超導體（裝置需維持在接近絕對零度）。現在則改用鉛。底層半導體也經過重新配方，加入了錫，改善了電子與鉛之間的自旋軌道耦合。微軟目前使用的裝置有兩條平行線，透過量子點來測量這對線的「奇偶性」（parity）——即兩條線是否都各有一個額外電子、都不多電子、或處於混合態。如前所述，原始系統雜訊很大，奇偶態常會在 10 毫秒內自發改變。改用新材料後，有些奇偶態可以維持超過 20 秒。這種穩定性正是拓撲量子位元一直被承諾的優勢，也是微軟最初押注這個技術的原因。話雖如此，微軟前方仍有漫漫長路。它仍須展示能以某種方式操控奇偶性，使其能在單一量子位元或成對量子位元上執行運算操作。長期來看，還需決定如何連結各個量子位元，以實現錯誤更正。但如果這份研究在同儕審查中站得住腳，看起來微軟在硬體上下的這一注，確實是正確的。

Atom Computing：原子本位

Atom Computing 同時身兼微軟的競爭對手與合作夥伴——它的硬體可透過微軟的 Azure Quantum Cloud 服務使用。兩家公司也合作開發了在 Atom 硬體上執行錯誤更正所需的軟體與協定。這裡所說的「硬體」，其實並非常見的電腦硬體。大部分實體材料涉及雷射與光學導引；運算本身是透過被雷射光陣列懸浮住的原子之核自旋（nuclear spin）來完成。不過，Atom 正在發展一套類似架構的設計：設有儲存區、運作區，以及備用原子池——當其他原子遺失時，備用原子可隨時補上。一種稱為「光鑷」（optical tweezers）的雷射配置，被用來在這些區域之間調度原子。在一份新的研究論文中，Atom 展示了備用原子池有多麼關鍵。為了讓原子維持狀態並留在阱中，必須用雷射來冷卻它們——而原子在運作過程中往往會升溫。冷卻是個緩慢的過程，但若不進行冷卻，升溫的原子可能會跳出把它們固定在柵格中的雷射阱，這顯然會引入錯誤。於是 Atom 陷入一個兩難：它需要執行運算以進行錯誤更正，但執行運算本身又會提高錯誤發生的機率。它的解法是：在進行錯誤更正所需的測量時，以某種方式把一個預先冷卻好的備用原子「換入」到邏輯量子位元中。透過反覆測量一個邏輯量子位元（由多顆儲存資料的量子位元與偵錯用的量子位元連結而成）的狀態進行實驗後，發現這種做法帶來了顯著差異。若不在每次測量時換入冷原子，錯誤發生的機率會隨著測量次數增加而上升；若進行換入，錯誤機率則大致保持在恆定。這並不表示經過錯誤更正的量子位元完全穩定。最終，仍會發生無法恢復的錯誤——因為太多顆原子同時改變了狀態。但執行標準的錯誤更正程序，可讓部分這類邏輯量子位元穩定運作長達 90 個循環。這雖然還不足以執行任何複雜的計算，但比起該公司研究出這項技術之前，已經前進了一大步。

更正說明：本報導先前版本不慎納入了受到禁運規範限制的資訊。

本文作者 John Timmer 為 Ars Technica 資深科學編輯。