2025年你需要了解的6种量子计算机

量子计算机可以根据用于实现和控制量子比特（qubit）的技术进行分类。在本文中，我们将剖析六种最受欢迎的量子计算机类型，从被广泛讨论的超导量子比特到拓扑量子比特令人兴奋的潜力，以及更多。每种类型都采用独特的方法来操纵和测量量子比特。准备好深入探索了吗？让我们一同探索量子计算机的迷人世界！

 

超导量子计算机

 

这些量子计算机使用超导电路作为量子比特，超导电路由在极低温度下能够无电阻导电的材料制成。

 

超导量子计算机的机制

超导量子比特通过利用超导电路的量子特性来工作。这些电路有两种状态，分别代表0和1，并且可以处于叠加态和纠缠态。

 

超导量子计算机的优势

可扩展性：超导量子比特设计简单，可轻松集成到芯片上，从而能够构建大规模量子计算机。这种可扩展性对于实用的量子计算至关重要，因为增加更多的量子比特可以解决日益复杂的问题。

成熟技术：超导量子比特，就像IBM、谷歌和量旋的量子处理器中使用的那样，已经发展和完善了很多年。这项技术经过了充分的研究，各种制造技术也已经确立，使其成为当今量子计算最具商业可行性的选择之一。

纠错技术的进步：超导量子比特技术的最新进展，以谷歌的Willow芯片为代表，显著提升了量子纠错（QEC）能力，减少了量子操作中的错误，克服了该领域的一个重大挑战。

 

超导量子计算机面临的挑战

低温要求：超导量子比特需要使用昂贵且复杂的稀释制冷机冷却到接近绝对零度。

量子噪声：尽管取得了进展，但超导量子比特仍然容易受到噪声影响，这可能在计算过程中导致错误。

量子比特间相互作用：随着更多量子比特的加入，管理相互作用并保持相干性变得越来越复杂。

 

正在研发超导量子计算机的公司

IBM：

IBM是超导量子计算领域的领导者，其IBM Quantum平台提供基于云的量子计算服务。他们的量子处理器，如Eagle和Condor芯片，使用超导量子比特来扩展量子系统。

Condor芯片拥有1121个以蜂窝状排列的超导量子比特，是全球首个超越1000个量子比特的量子处理器，使其成为迄今建造的最大量子计算机。

谷歌：

谷歌的量子AI部门在其超导量子处理器方面取得了重大进展，其中包括著名的、展示了量子优越性的Sycamore芯片。他们的最新进展——Willow芯片，专注于改进量子纠错。

SpinQ是一家著名的量子计算公司，致力于打造超导量子计算机和超导量子芯片。其使命是通过推动量子计算的产业化和广泛应用，让量子计算机成为现实。

SpinQ的量子系统专为实际的工业规模应用而设计，已经在金融、生物医药、优化和人工智能等领域产生影响，助力解决现实世界的挑战。

值得注意的是，SpinQ的超导量子芯片是在其自主研发的、最先进的量子芯片实验室中开发的，该实验室支持芯片设计、扩大芯片生产规模，以及量子处理单元（QPU）代工和测试服务。

量旋量子在超导量子计算机和芯片技术方面的进展，标志着量子计算向成为各行业实用工具迈出了重要一步，从实验阶段迈向了实际应用。

 

拓扑量子计算机

 

拓扑量子计算机旨在利用被称为任意子的奇异粒子来表示量子比特。由于其拓扑性质，这些量子比特对错误具有更强的抵抗力，这意味着信息存储在系统的全局属性中，而不是粒子的单个状态中。

 

拓扑量子计算机的机制

拓扑量子计算机使用基于任意子（存在于二维空间的粒子）特性的拓扑量子比特来存储和处理信息。

这些量子比特通过编织任意子来操控，量子信息编码在系统的拓扑性质中，使其对局部误差的敏感性降低。

 

拓扑量子计算机的优势

容错能力：拓扑量子比特由于其对环境干扰的固有抗性，更不容易出错，使其在量子计算中更加稳定和可靠。

容错性：拓扑量子计算本质上通过编织任意子提供了一定程度的纠错能力，有望实现可扩展的容错量子计算。

 

拓扑量子计算机面临的挑战

技术发展：拓扑量子计算机仍处于研发阶段，创建稳定、可控的拓扑量子比特仍然是一项重大挑战。

操控复杂性：操控任意子并执行编织操作极其困难，需要先进、精确的控制，这限制了当前的实际应用。

硬件受限：拓扑量子计算的硬件尚未完全开发，目前还没有量子计算机能够在大规模操作中充分利用拓扑量子比特。

 

开发拓扑量子计算机的公司

微软通过其StationQ项目一直处于开发拓扑量子计算机的前沿。StationQ致力于通过利用拓扑量子比特的独特特性来推动量子计算的发展。

在追求实用量子计算的过程中，微软凭借其Majorana 1芯片取得了重大进展，这是世界上首款由拓扑量子比特驱动的量子处理器。这一突破是拓扑量子计算机发展中的一个关键里程碑，使我们更接近实现容错且可扩展的量子系统。

Majorana 1芯片旨在实现单芯片上扩展到一百万个量子比特，从而为制药、金融和材料科学等领域的现实世界复杂工业规模问题提供可靠的解决方案。

Majorana 1芯片标志着微软在通过使用拓扑量子比特为实用量子计算开辟新道路方面的领导地位。

 

囚禁离子量子计算机

 

囚禁离子量子计算机使用单个离子（带电原子）作为量子比特，这些离子通过电磁场进行操控。离子被电磁场囚禁在真空室中，并通过激光进行操控。离子的内部能态被用来表示量子比特。

 

囚禁离子量子计算机的优势

高精度：囚禁离子量子比特提供极其精确的量子操作，使其非常适合对误差敏感的任务。

长相干时间：被囚禁离子的量子态在很长一段时间内保持稳定，这对于执行复杂的量子计算至关重要。

精确的量子门：激光控制能够实现精确的量子门，从而实现高保真操作并改进纠错能力。

可扩展性潜力：虽然扩展具有挑战性，但在集成更多离子和改进大型量子计算机的系统控制方面的研究正在取得进展。

 

囚禁离子量子计算机面临的挑战

复杂硬件：囚禁离子系统需要精密的基础设施，如超高真空室、精密激光器和磁场。

可扩展性难题：增加更多量子比特会带来在整个系统中维持相干性和控制的挑战。

操作速度较慢：与其他一些量子技术相比，囚禁离子量子比特的门操作速度较慢，这可能会影响流转时长。

量子比特间通信：在不引入误差的情况下高效地纠缠和相互作用大量离子仍然是一个关键挑战。

 

建造囚禁离子量子计算机的公司

1. IonQ：引领囚禁离子量子计算机的发展

2. 霍尼韦尔量子解决方案公司：正在开发可扩展的囚禁离子系统

3. Alpine Quantum Technologies：专注于推进囚禁离子量子计算

 

光子量子计算机

 

光子量子计算机使用光子（光的粒子）作为量子比特。这些光子可以携带量子信息，并可以使用光学组件进行操控。光子通过分束器、镜子和波导等光学组件产生、操控和测量。量子操作利用光子的偏振、相位和路径等特性来执行。

 

光子量子计算机的优势

室温运行：光子量子计算机可以在室温下运行，这与其他需要极低温冷却的技术不同。

快速数据传输：光子能够以光速传播，从而实现快速的量子信息传输。

固有稳定性：光子不易受环境噪声影响，为量子操作提供稳定性。

 

光子量子计算机面临的挑战

有限的门保真度：用光子实现高保真度的量子门具有挑战性，特别是在多光子系统中。

光子损耗：光子在传输过程中容易损耗，这可能会引入误差。

可扩展性问题：由于管理众多光学组件的复杂性，创建具有多个量子比特的大规模光子系统十分困难。

 

正在研发光子量子计算机的公司

1. PsiQuantum：开发大规模光子量子计算机

2. Xanadu Quantum Technologies：致力于光子量子处理器的研发

3. Quantum CIrcuits：专注于构建可扩展的光子量子计算机

 

中性原子量子计算机

 

中性原子量子计算机使用中性原子作为量子比特。这些原子通过光镊（聚焦激光束）被捕获在特定位置，并由激光进行操控。原子通过精确的激光束被逐个捕获并固定在原位。这些原子的内部量子态（如它们的电子构型）被用来表示量子比特（qubit）。量子操作通过激光操控这些状态来执行。

 

中性原子量子计算机的优势

可扩展性：由于可以使用光学技术轻松捕获和操纵中性原子，因此能够有效地增加量子比特的数量。

低错误率：中性原子对环境噪声相对不敏感，这有助于实现更稳定的量子比特。

 

中性原子量子计算机面临的挑战

精确控制：控制原子之间的相互作用可能具有挑战性，特别是随着量子比特数量的增加。

测量困难：中性原子的量子测量需要高精度的检测方法。

 

正在研发中性原子量子计算机的公司/研究机构

1. Aliro Quantum

 

量子点量子计算机

 

量子点是基于半导体的结构，它在所有三个空间维度上限制电子，有效地创造出人造原子。这些量子点可用作量子比特。量子点本质上是半导体材料中的一个微小区域，电子可以被限制在其中。量子比特由限制在量子点中的电子的自旋或能级来表示。外部电场或磁场用于控制量子比特。

 

量子点量子计算机的优势

与现有半导体技术的集成：量子点采用标准半导体制造工艺制造，这可能使扩展和集成更加容易。

大规模系统的潜力：半导体量子点可以被小型化并集成到大型阵列中，以实现更具可扩展性的量子计算。

 

量子点量子计算机面临的挑战

退相干：量子点对外部噪声高度敏感，可能导致错误。

控制复杂性：对量子点中电子的量子态进行精确控制需要复杂的技术。

 

开发量子点量子计算机的公司

1. 英特尔

2. 微软