中美量子競爭的差距到底在哪裡？

中美兩國在量子霸權上的爭奪已日益激烈。「誰控制了量子霸權，誰就控制了未來世界」一點不為過。2023年，中國本源團隊推出了量子計算機的商業化原機「悟空」，IBM也較中國更早的推出了量子商業化的計算機。

IBM 預計將在 2023 年發布一款名為 Condor 的 1,121 量子比特處理器。量子比特是量子計算機的處理單元，可以通過多種技術構建，包括超導電路、俘獲離子和光子。各國的量子計算團隊一直追求超導量子比特，並在增加晶元上量子比特數量方面取得了穩步進展。例如，在 2021 年，IBM 推出了 127 個量子比特的處理器，並在11月推出了 433 量子比特的 Osprey 處理器。

IBM 今年也將推出其 Heron 處理器，它僅具有 133 個量子位，看起來似乎是退步，但是該公司強調，Heron 的量子比特將具有最高質量。重要的是，每個晶元都可以直接與其他 Heron 處理器相連，這預示著從單個量子計算晶元向由多個連接在一起的處理器組成的「模塊化」量子計算機的轉變，有助於擴大量子計算機的範圍。

Heron 是量子計算領域的重要轉變信號。專家表示，由於最近的突破、積極的規劃和高水平的資金，我們可能比預期的更早地看到通用量子計算機。

IBM 的 Heron 項目是走向模塊化量子計算的第一步。這些晶元將與傳統電子設備相連，因此當信息在處理器間傳遞時，它們將無法保持量子性。但是，IBM Quantum 硬體系統開發總監 Jerry Chow 表示，希望這些晶元最終能與光纖或微波連接，以實現具有數百萬個連接量子比特的大規模分散式量子計算機。這是實現量子演算法的必要條件。Chow 表示，「模塊化是關鍵，因為我們需要在規模和成本上擴展的技術。」

其他公司也在進行類似的實驗。PsiQuantum 首席科學官 Peter Shadbolt 表示，將量子技術組裝起來成為了一個重要議題。該公司使用光子作為其量子比特，並正在對基於硅的模塊化晶元進行最後的完善。Shadbolt 表示，最後一項技術——極快的低損耗光開關——將在 2023 年底全面展示。他說：「這將使我們擁有一塊功能齊全的晶元。」然後，倉庫規模的建設可以開始：「我們將把所有硅晶元組裝在一起，形成一個建築規模的高性能系統。」

量子通信將在 2023 年成為量子計算的重要組成部分，相干量子比特可以在長達數百公里的距離內傳輸。

「擴展量子計算的唯一方法是通過創建幾千個量子比特的模塊並將它們連接起來，以形成一個連續的網路，」Hidary 在麻省理工學院技術評論中表示。「這可能是在同一個房間里，也可能跨越校園或城市。我們知道分散式計算的力量，但在量子領域，我們需要一個連續的鏈路：要麼是帶有量子中繼器的光纖網路，要麼是連接地面站和衛星網路的光纖。」

中國在這方面具有領先優勢。2017 年，中國的墨子號衛星表明相隔 1200 公里的節點之間可以實現相干量子通信。2022 年 3 月，一個由學術界和工業界研究人員組成的國際小組展示了一種量子中繼器，它可以在 600 公里的光纖中有效地中繼量子信息。

但在量子計算，以及容錯機制研究領域中國還需努力。

IBM一直在探索如何編程以減少因噪音導致的錯誤，就像降噪耳機一樣。然而，該演算法仍不完美，因為它是根據可能出現的噪音而非實際出現的噪音進行工作的。儘管如此，IBM的研究人員稱其表現良好，並且「我們可以通過構建代碼來糾正錯誤，花費更少的資源，使得糾錯在短期內變得可行。」

總部位於馬里蘭州的IonQ公司正在構建離子阱量子計算機，它也在努力解決同樣的問題。該公司首席科學家表示，大部分錯誤都是在戳離子和運行程序時造成的。不同的緩解措施可以幫助我們真正提高數字的性能。

儘管硬體方面取得了很大的進展，但很多研究人員認為還需要更多關注編程。Zapata Computing的研究人員表示：「與未來10年我們需要的工具相比，我們的工具箱顯然是有限的。」

此外，編程及軟體設計也是量子計算商業應用的關鍵環節。

位於赫爾辛基的Algorithmiq在軟體編程領域進行創新。「我們需要非標準框架來對當前的量子設備進行編程，」首席執行官 Sabrina Maniscalco 說。Algorithmiq 新推出的藥物發現平台 Aurora 將量子計算的結果與經典演算法相結合。這種「混合」量子計算是一個不斷發展的領域，它被廣泛認為是該領域可能長期發揮作用的方式。該公司表示，它希望在 2023 年實現有用的量子優勢——證明量子系統可以在現實世界的相關計算中勝過經典計算機。

中國搜索公司百度開放了一個10 超導量子位處理器的使用權，它希望這將幫助研究人員涉足將量子計算應用於材料設計和藥物開發等領域。該公司表示，它最近完成了 36 量子位超導量子晶元的設計。「百度將繼續在量子軟硬體集成方面取得突破，促進量子計算的產業化，」該公司發言人告訴《麻省理工科技評論》。科技巨頭阿里巴巴也有研究人員致力於使用超導量子比特進行量子計算。

在日本，富士通正與 Riken 研究所合作，在 2023 年 4 月開始的財政年度為公司提供該國第一台國產量子計算機的使用權。它將擁有 64 個超導量子位。「最初的重點將放在材料開發、藥物發現和金融方面的應用，」富士通研究院量子實驗室負責人 Shintaro Sato 說。

總結：

雖然中美量子霸權爭奪日益激烈，但仍需要國際協作。在科技前沿領域，只有科技協作才能促進人類更好的和諧發展。