中美量子竞争的差距到底在哪里？

中美两国在量子霸权上的争夺已日益激烈。“谁控制了量子霸权，谁就控制了未来世界”一点不为过。2023年，中国本源团队推出了量子计算机的商业化原机“悟空”，IBM也较中国更早的推出了量子商业化的计算机。

IBM 预计将在 2023 年发布一款名为 Condor 的 1,121 量子比特处理器。量子比特是量子计算机的处理单元，可以通过多种技术构建，包括超导电路、俘获离子和光子。各国的量子计算团队一直追求超导量子比特，并在增加芯片上量子比特数量方面取得了稳步进展。例如，在 2021 年，IBM 推出了 127 个量子比特的处理器，并在11月推出了 433 量子比特的 Osprey 处理器。

IBM 今年也将推出其 Heron 处理器，它仅具有 133 个量子位，看起来似乎是退步，但是该公司强调，Heron 的量子比特将具有最高质量。重要的是，每个芯片都可以直接与其他 Heron 处理器相连，这预示着从单个量子计算芯片向由多个连接在一起的处理器组成的“模块化”量子计算机的转变，有助于扩大量子计算机的范围。

Heron 是量子计算领域的重要转变信号。专家表示，由于最近的突破、积极的规划和高水平的资金，我们可能比预期的更早地看到通用量子计算机。

IBM 的 Heron 项目是走向模块化量子计算的第一步。这些芯片将与传统电子设备相连，因此当信息在处理器间传递时，它们将无法保持量子性。但是，IBM Quantum 硬件系统开发总监 Jerry Chow 表示，希望这些芯片最终能与光纤或微波连接，以实现具有数百万个连接量子比特的大规模分布式量子计算机。这是实现量子算法的必要条件。Chow 表示，“模块化是关键，因为我们需要在规模和成本上扩展的技术。”

其他公司也在进行类似的实验。PsiQuantum 首席科学官 Peter Shadbolt 表示，将量子技术组装起来成为了一个重要议题。该公司使用光子作为其量子比特，并正在对基于硅的模块化芯片进行最后的完善。Shadbolt 表示，最后一项技术——极快的低损耗光开关——将在 2023 年底全面展示。他说：“这将使我们拥有一块功能齐全的芯片。”然后，仓库规模的建设可以开始：“我们将把所有硅芯片组装在一起，形成一个建筑规模的高性能系统。”

量子通信将在 2023 年成为量子计算的重要组成部分，相干量子比特可以在长达数百公里的距离内传输。

“扩展量子计算的唯一方法是通过创建几千个量子比特的模块并将它们连接起来，以形成一个连续的网络，”Hidary 在麻省理工学院技术评论中表示。“这可能是在同一个房间里，也可能跨越校园或城市。我们知道分布式计算的力量，但在量子领域，我们需要一个连续的链路：要么是带有量子中继器的光纤网络，要么是连接地面站和卫星网络的光纤。”

中国在这方面具有领先优势。2017 年，中国的墨子号卫星表明相隔 1200 公里的节点之间可以实现相干量子通信。2022 年 3 月，一个由学术界和工业界研究人员组成的国际小组展示了一种量子中继器，它可以在 600 公里的光纤中有效地中继量子信息。

但在量子计算，以及容错机制研究领域中国还需努力。

IBM一直在探索如何编程以减少因噪音导致的错误，就像降噪耳机一样。然而，该算法仍不完美，因为它是根据可能出现的噪音而非实际出现的噪音进行工作的。尽管如此，IBM的研究人员称其表现良好，并且“我们可以通过构建代码来纠正错误，花费更少的资源，使得纠错在短期内变得可行。”

总部位于马里兰州的IonQ公司正在构建离子阱量子计算机，它也在努力解决同样的问题。该公司首席科学家表示，大部分错误都是在戳离子和运行程序时造成的。不同的缓解措施可以帮助我们真正提高数字的性能。

尽管硬件方面取得了很大的进展，但很多研究人员认为还需要更多关注编程。Zapata Computing的研究人员表示：“与未来10年我们需要的工具相比，我们的工具箱显然是有限的。”

此外，编程及软件设计也是量子计算商业应用的关键环节。

位于赫尔辛基的Algorithmiq在软件编程领域进行创新。“我们需要非标准框架来对当前的量子设备进行编程，”首席执行官 Sabrina Maniscalco 说。Algorithmiq 新推出的药物发现平台 Aurora 将量子计算的结果与经典算法相结合。这种“混合”量子计算是一个不断发展的领域，它被广泛认为是该领域可能长期发挥作用的方式。该公司表示，它希望在 2023 年实现有用的量子优势——证明量子系统可以在现实世界的相关计算中胜过经典计算机。

中国搜索公司百度开放了一个10 超导量子位处理器的使用权，它希望这将帮助研究人员涉足将量子计算应用于材料设计和药物开发等领域。该公司表示，它最近完成了 36 量子位超导量子芯片的设计。“百度将继续在量子软硬件集成方面取得突破，促进量子计算的产业化，”该公司发言人告诉《麻省理工科技评论》。科技巨头阿里巴巴也有研究人员致力于使用超导量子比特进行量子计算。

在日本，富士通正与 Riken 研究所合作，在 2023 年 4 月开始的财政年度为公司提供该国第一台国产量子计算机的使用权。它将拥有 64 个超导量子位。“最初的重点将放在材料开发、药物发现和金融方面的应用，”富士通研究院量子实验室负责人 Shintaro Sato 说。

总结：

虽然中美量子霸权争夺日益激烈，但仍需要国际协作。在科技前沿领域，只有科技协作才能促进人类更好的和谐发展。