自20世纪40年代以来，经典计算机以惊人的速度发展。今天你可以买到比半个世纪前最先进的房间大小的电脑更强大的计算能力的手表。这些进步通常来自于电子工程师制造更小的晶体管和电路，并将它们组装得更紧密。

但这种缩小规模最终将达到一个物理极限——随着计算机电子技术接近原子水平，控制单个组件而不影响相邻组件将变得不可能。传统的计算机不能用传统的缩放来无限地改进。

量子计算，一个产生于20世纪80年代的想法，有一天可能会把指挥棒带入一个强大的高速计算的新时代。这种方法使用量子力学现象来进行复杂的计算，这在经典计算机上是不可行的。从理论上讲，量子计算可以在几分钟内解决经典计算机需要数千年时间的问题。谷歌已经展示了量子计算在某些任务上超越世界上最好的超级计算机的能力。

但现在还处于早期阶段——量子计算必须在可靠地解决实际问题之前清除一些科学和工程方面的障碍。麻省理工学院100多名研究人员正在帮助开发必要的基础技术，扩大量子计算的规模，并将其潜力转化为现实。

什么是量子计算？

它有助于首先了解经典计算机的基础知识，比如你用来读这个故事的那台。传统的计算机以二进制位存储和处理信息，每一位的值都是0或1。一台典型的笔记本电脑可能包含数十亿个晶体管，这些晶体管使用不同电平的电压来表示这两个值中的任何一个。虽然经典计算机的形状、大小和功率千差万别，但它们都运行在同一个二进制逻辑的基本系统上。

量子计算机是根本不同的。它们的量子比特被称为量子比特，每一个都可以保持0、1或两个状态同时组合的值。这要归功于一种叫做叠加的量子力学现象。麻省理工学院林肯实验室量子信息与集成纳米系统组的研究员约翰·基亚维尼解释说：“一个量子粒子可以表现得好像同时在两个地方一样。”。

粒子也可以相互“纠缠”，因为它们的量子态变得密不可分。叠加和纠缠使量子计算机“比经典计算机以指数级的速度解决某些问题，”Chiaverini说。

Chiaverini指出量子计算机可以发光的特殊应用。例如，他们擅长分解大数，这是密码学和数字安全的重要工具。他们还可以模拟复杂的分子系统，这有助于药物的发现。从原理上讲，量子计算机可以推动许多研究和工业领域的发展——只要我们能够建立可靠的领域就好了。

你如何建造量子计算机？

由于两个相关的挑战，量子系统不容易管理。第一，量子比特的叠加态是高度敏感的。微小的环境干扰或材料缺陷会导致量子比特出错并丢失量子信息。这个过程称为退相干，它限制了量子位的有效寿命。

第二个挑战在于控制量子比特来执行逻辑功能，通常是通过微调电磁辐射脉冲来实现的。这种操作过程本身会产生足够的附带电磁噪声，导致退相干。为了扩大量子计算机的规模，工程师们必须在保护量子比特不受潜在干扰和允许量子比特被操纵进行计算之间取得平衡。理论上，这种平衡可以通过一系列物理系统来实现，不过目前有两种技术最有希望：超导体和俘获离子。

一台超导量子计算机利用成对电子流（称为“库珀对”）通过无电阻电路作为量子比特。麻省理工学院电子工程与计算机科学系副教授、林肯实验室研究员、麻省理工学院量子工程中心主任威廉·奥利弗（William Oliver）说：“超导体非常特殊，因为低于一定温度，它的电阻就会消失。”。

奥利弗工程师使用的计算机是由接近绝对零度的超导铝电路组成的量子位。当电流以一种或另一种方式流过电路时，该系统作为一个具有两种能量状态的非谐振子，分别对应于0和1。这些超导量子位相对较大，每边约十分之一毫米，比经典晶体管大几十万倍。超导量子位的体积使计算更容易操作。

但这也意味着奥利弗一直在与退相干作斗争，寻求新的方法来保护量子比特免受环境噪音的影响。他的研究任务是解决这些技术难题，使制造出可靠的超导量子计算机成为可能。奥利弗说：“我喜欢做基础研究，但我喜欢用一种既实用又可扩展的方式进行研究。”量子工程是量子科学与传统工程的桥梁。要使量子计算成为现实，科学和工程都将被要求。”

另一种解决在控制量子比特的同时保护它们不受退相干影响的挑战的另一种解决方案是利用单个原子及其自然量子力学行为作为量子比特的囚禁离子量子计算机。Chiaverini称，原子比过冷电路制造出更简单的量子比特。“幸运的是，我不需要自己设计量子比特，”他说。“大自然给了我这些非常好的量子点。但关键是设计系统并掌握这些东西。”

Chiaverini的量子比特是带电的离子，而不是中性原子，因为它们更容易被控制和定位。他用激光来控制离子的量子行为。“我们在操纵电子的状态。我们正在将原子中的一个电子提升到更高的能级或更低的能级，”他说。

通过向芯片上的一系列电极施加电压，离子本身被固定在适当的位置。“如果我做得正确，那么我就可以创造一个电磁场，它可以在芯片表面的正上方抓住一个被俘获的离子。”通过改变电极上的电压，Chiaverini可以使离子在芯片表面移动，允许在单独被困离子之间进行多量子位操作。

因此，虽然量子比特本身很简单，但微调围绕它们的系统是一个巨大的挑战。“你需要设计控制系统——比如激光、电压和射频信号。我们认为，将它们全部放入一个能捕获离子的芯片中，这是一个关键因素。”

Chiaverini指出，囚禁离子量子计算机面临的工程挑战通常与量子比特控制有关，而不是防止退相干；超导量子计算机的情况恰恰相反。当然，还有无数的其他物理系统正在被研究，因为它们作为量子计算机的可行性。

下一步该如何发展？

如果你在存钱买一台量子电脑，不用觉得不可思议。Oliver和Chiaverini一致认为，随着科学和工程的发展，量子信息处理技术在未来几年和几十年内只会逐渐进入商业市场。

与此同时，Chiaverini还提到了他正在开发的捕获离子技术的另一个应用：高精度的光学时钟，它可以帮助导航和GPS。奥利弗设想了一个连接的经典量子系统，在这个系统中，一台经典机器可以运行大部分的算法，在它的量子比特去中心之前，发送一些精选的计算让量子机器运行。从长远来看，量子计算机可以更独立地运行，因为改进的纠错码允许它们无限期地工作。

“量子计算已经成为未来数年，”Chiaverini说。但现在这项技术似乎正达到一个转折点，从单纯的科学问题转变为一个科学与工程的联合问题——“量子工程”——这一转变在一定程度上得到了Chiaverini、Oliver和麻省理工学院量子工程中心（CQE）和其他地方的数十名研究人员的帮助。