一家名為量子電路(quantum circuits)的初創公司正在將微型量子裝置聯網，共同創造電腦。該公司聲稱，這種電腦比競爭對手的電腦更容易擴大規模。
參觀任何正在建造量子計算機的初創企業或大學實驗室，感覺就像進入了20世紀60年代的時光隧道——那是大型計算機的全盛時期，一台計算機可以填滿整個房間，並且需要一小群技術人員共同操作。
從超精確雷射到過冷冰箱，各種各樣的裝置都需要利用量子力學的奇異力量來處理資料。電纜連線不同的齒輪，像五顏六色的「義大利麵條」，下到地面，上至天花板。物理學家和工程師們圍著一排排的螢幕，不斷地監控和調整計算機的效能。
大型機引領了資訊革命，人們希望量子計算機也能改變遊戲規則。量子計算機巨大的處理能力甚至有望超越當前最強大的傳統超級計算機，從而間接推動藥物發現、材料科學、人工智慧等各個領域的進步。
這個新興行業面臨的巨大挑戰是，要製造出既可靠又相對便宜的機器。對量子計算機中傳輸資訊的量子位進行校驗和管理是很困難的。即使是最微小的振動或溫度變化——量子術語中稱為「雜訊」的現象——也會導致量子位元失去其脆弱的量子態。
當這種情況發生時，計算就會出現錯誤。
最常見的對策是在單個晶元上建立盡可能多的量子位元。如果一些量子位元發生錯誤，其他持有資訊副本的量子位元就可以被用來作為備份，這可以通過開發用於檢測和最小化錯誤的演算法實現的。ibm和谷歌等大公司以及rigetti computing等知名初創企業都支援這一策略，該策略催生了讓人聯想起當年那些房間大小的大型機的複雜機器。
問題是錯誤率太高。現今最大的晶元只有不到100個量子位元，但可能需要數千甚至幾萬個量子位才能產生與乙個沒有錯誤的量子位相同的結果。每個量子位元都需要自己單獨的控制線路，因此新增的量子位元越多，系統的管理就越複雜。
監測和管理快速擴大的量子位也需要更多的齒輪。這可能會大大提高量子計算機的複雜性和成本，限制它們的吸引力。
耶魯大學教授robert schoelkopf認為有更好的方法。他在2023年與人共同創辦了量子電路公司(quantum circuits)，該公司正在開發相當於微型量子機器的東西，而不是試圖在一塊晶元上塞入更多的量子位元。它們可以通過專門的介面聯網，有點像高科技的樂高積木。
schoelkopf說，這種方法有助於降低錯誤率，建立強大的量子機器需要的量子位元將更少，從而對硬體的要求也就更低。
持懷疑態度的人指出，量子電路公司還未像ibm等競爭對手一樣，公開推出一款可以工作的電腦。但如果它能實現schoelkopf所說的那樣，就能幫助量子計算更快地走出實驗室，進入商業世界。
創造更持久量子位元的驅動力
將更小的量子模組**在一起來製造更強大的計算機的想法已經存在多年了，但從未真正流行起來。jerry chow管理著ibm research的實驗量子計算團隊。他說，目前還沒有模組化建造可容錯量子計算機的方法，如果有人能做到這一點，那將很可能是schoelkopf和他的同事。
schoelkopf曾是一名工程師和物理學家，在nasa和加州理工學院工作過，2023年在耶魯大學任教，開始從事量子計算的工作。他和他的同事率先使用晶元上的超導電路來產生量子位元。通過將電流注入比深空還要冷的冰箱內的特殊微晶元，它們能夠將粒子誘導到量子態，而量子態是計算機巨大能力的關鍵。
與普通計算機中表示1或0的電脈衝或光脈衝流不同，量子位元是光子或電子等亞原子粒子，它們可以是1和0的某種組合——這種現象被稱為「疊加」。量子位元也會互相糾纏，這意味著乙個量子位元狀態的改變可以瞬間改變另乙個量子位元的狀態，即使它們之間沒有物理聯絡。
關於量子計算機需要知道的主要事情是，量子計算機的量子位元可以同時執行許多計算，而普通計算機必須按順序執行這些計算。這意味著向量子機器新增額外的量子位元可以成倍地提高其處理能力。
schoelkopf在噪音問題上的工作也為其贏得了讚譽。量子位元的相干時間（即在雜訊干擾其微妙的量子態之前，可以執行多久的計算）大約每三年就會提高10倍。研究人員將這一趨勢稱為「schoelkopf定律」，這是對經典計算中的摩爾定律的致敬。
摩爾定律認為，一塊矽片上的電晶體數量大約每兩年就會翻一番。量子電路公司的投資者brendan dickinson說，schoelkopf在超導量子位元方面的優勢是他決定支援這項業務的主要原因之一。
有點諷刺意味的是，舍爾科普夫和他在耶魯大學的聯合創始人公尺歇爾德沃里特(michel devoret)和路易吉弗倫齊奧(luigi frunzio)指導的一些學生，現在供職於ibm和rigetti等與他們的初創企業競爭的公司。schoelkopf顯然為耶魯大學量子計算實驗室自豪。他說前幾年他統計了世界上從事超導量子位元研究的機構，發現其中一半以上的人都是從耶魯大學的量子計算實驗室走出去的。
模組化機器的優點
大多數研究超導機器的研究人員專注於在單個晶元上創造盡可能多的量子位元。量子電路公司的方法與傳統標準非常不同。該公司系統的核心是乙個小型鋁模組，其中包含由矽或藍寶石晶元製成的超導電路。
每個模組包含5到10個量子位元。
為了將這些模組連線到更大的計算機中，該公司使用了聽起來像是《星際迷航》中的量子**傳態技術。該方法用於跨電信網路傳輸資料。其基本思想是將乙個模組中的光子與另乙個模組中的光子糾纏在一起，然後利用它們之間的鏈結作為傳輸資料的橋梁。
量子電路公司使用這種方法在模組之間傳送邏輯門的量子版本。
schoelkopf說，有幾個原因可以說明，把模組網路放在一起比把盡可能多的量子位元塞進單個晶元要好。每個單元的規模越小，就越容易控制系統和應用糾錯技術。此外，如果單個模組中的某些量子位元失控，則可以在不影響與其聯網的其他量子位元的情況下將該單元移除或隔離；如果他們都在乙個晶元上，可能整個晶元都不得不廢棄掉。
展望未來，量子電路公司的模組化機器仍然需要一些與競爭對手相同的裝置，包括超冷冰箱和監控裝置。但是隨著它們的擴充套件，它們不需要任何類似於控制線路和其他工具來控制單個量子位元。因此，儘管競爭對手的裝置可能看起來越來越像那些早期的大型機，但這家初創企業的機器仍與傳統計算進入上世紀70年代甚至更晚時出現的精簡版大型機類似。
聽著上述這項技術，我的腦海中浮現出乙個畫面：我的孩子們在玩樂高積木，把它們栓在一起建造城堡。
schoelkopf說，總的來說，每乙個複雜的裝置都是基於與樂高積木相當的東西，你只需定好介面以及它們是如何組合即可。然後即使像樂高積木一樣批量生產，它們也總是會以正確的方式連線在一起。
schoelkopf的量子模組還有另乙個關鍵優勢。每乙個模組都包含乙個3d凹洞，可以捕獲光子。這些構成了所謂的「qudits」，它們就像量子位，不過可以儲存更多的資訊。
雖然乙個量子位表示1和0的組合，但是乙個qudit可以同時存在於兩個以上的狀態中，例如，0、1、2。量子計算機也因此可以同時處理更多的資訊。
科學家們對qudits進行實驗已經有一段時間了，但是它們很難產生和控制。schoelkopf說，量子電路公司已經找到了持續創造高質量qudits和顯著減少誤差的方法。該公司聲稱，它使用的凹洞比超導量子位長10到100倍，從而更容易糾正錯誤，增加了相干時間。
一些量子位元仍然需要在qudits上執行操作，並從中提取資訊，但是他的方法需要的量子位元較少。這進而意味著總體上對硬體的需求減少。
量子計算是乙個非常開放的領域
量子電路公司的方法聽起來很有說服力，但該公司還未透露將在何時推出功能齊全的電腦。也沒有透露公司的研究中總共有多少個量子位元和qudits在一起工作。
時間拖得越久，schoelkopf的初創公司就越有可能被競爭對手蓋過風頭。「量子霸權」的計算機，即量子計算機可以執行即使是最強大的傳統超級計算機也無法完成的任務。
目前在ibm這樣的雲服務上執行的量子演算法仍然非常基礎。所以當前這個領域對量子計算機和相關軟體是非常開放的，這些軟體可以在從人工智慧渦輪增壓應用到為化學家建立分子模型等廣泛領域發揮重要作用。
還有很多問題。當量子電路建造成更大的機器時，它還能繼續產生強大的量子位和qudits嗎？當把更多的模組連線在一起時，它的量子**傳態方法能可靠地工作嗎？
當它的系統上市銷售時，它的運營成本會比競爭對手更高嗎？未來仍將面臨重大的物理和工程挑戰。但如果schoelkopf和他的同事們能夠克服這些障礙，他們就能證明，在量子計算領域取得巨大成就的關鍵是要從小處著手。
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