寻访 | Quantinuum的量子实验室

光子盒研究院出品

前言：为了普及科学技术知识、传播科学思想，光子盒特开启「寻访」专栏，带领各位读者探访全球的量子工厂和实验室。

在美国丹佛北部，一栋单调的、有乙烯基地板的、没有窗户的办公楼里有计算机行业的一个奇迹。

实际上，这里有好几个奇迹：一个数据中心、里面有两台商用量子计算机正在为包括摩根大通在内的付费客户运行，还有一个正在建造的原型机。

量子计算机之所以神奇，是因为它们在量子力学规则的基础上运行：宇宙中最微小的部分，我们认为的物理学规则并不总是适用。量子计算机使用量子比特，而不是通过开关来计算信息的晶体管，量子比特可以切换到“开”、“关”或介于两者之间的某种状态。

支持者曾表示，这些计算机具有解决复杂问题的独特能力。例如，发现新材料或确定如何改善供应链。

Quantinuum公司于2021年在霍尼韦尔收购的英国量子公司Cambridge Quantum后，从国防承包商巨头霍尼韦尔分离出来，开始建造量子计算机。在Quantinuum于周二正式发布其32比特的第二代量子计算机H2的前几天，美国部分媒体和分析师受邀、对其进行了访问。

Quantinuum声称H2是有史以来最精确的量子计算机。公司还公布了其进行的大量基准测试结果，以支持这一略显“夸张”的说法：一篇名为《赛道上的捕获离子量子处理器(A Race Track Trapped-Ion Quantum Processor)》的研究论文详细介绍了所有这些工程进展，以及它们对该机器的计算性能的确切影响。该论文包括来自组件和系统级基准测试的结果，记录了新机器推出时的能力。这些基准测试指标，结合该公司在拓扑量子比特方面的进展，代表了量子计算的一个新阶段。

这是一个重要的说法。因为如果这些计算机要想发挥其潜力，就需要有朝一日远比今天的超级计算机强大；它们将需要使用数百、上千，甚至更多的量子比特。而要做到这一点，这些量子比特必须保持稳定的工作性能。

微小的环境变化（如温度或光线），就会干扰它们的工作。挤在一起的量子比特越多、计算机被这种所谓的噪音干扰的可能性就越大，整体的运算结果就越不准确。

正因为如此，一些怀疑论者表示，这种规模的量子计算可能无法实现。尽管如此，Quantinuum公司负责设计和建造这些计算机的主管Russell Stutz仍然表示，他的工作已经让他成为一名信徒：他坚信“这不是如果，而是何时。”

其他竞争对手则专注于规模记录。11月，IBM发布了一台400量子比特的机器、谷歌自2019年以来也一直使用一个名为“悬铃木”(Sycamore)的54量子比特处理器。少数初创公司也在研究量子。

没有人可以说，在量子计算机达到规模性、可靠性以实现其承诺之前，还需要多长时间；但它们已经在使用，供实验该技术的早期采用者使用。像英伟达和微软这样的公司，也正在建立自己的量子计算机——他们甚至是Quantinuum的合作伙伴。

还有一些工作要做，因为即使量子计算机声称精确度可以高达99%，但这也只能“确保你在进行数百万次计算时得到错误的结果”。所有这一切解释了为什么Quantinuum的计算机是惊人的：它看起来更像一个科学实验，而不是下一代计算技术。

当天，参观者们被禁止拍摄实际计算机或数据中心的照片，但该公司分享了H2计算机外观的基本示意图。

如上图所示，这台计算机只有一个小房间那么大，它的组件散布在几张桌子上，而不是像典型的超级计算机那样被装在一个盒状外壳里。

计算机实际上分布在两个100平方英尺的平台上，蓝色的电缆到处都是，整齐地排列着；并通过管道进入传统的、但又是定制的计算设备，以控制计算机和环境。Quantinuum使用激光来冷却和控制量子比特所在的“室(chamber)”。

旋钮和定制的控制装置铺满了下面的桌子。计算机通常隐藏在黑色窗帘后面，以将环境隔绝在外；一群博士科学家在房间里工作，而显示器在后面靠墙。

房间里控制还着一个拇指甲大小的托盘，上面有32个量子比特。

Quantinuum的计算机使用“捕获离子”作为其量子比特的基础，这意味着原子科学家将原子（来自矿物镱）剥去电子、给它们充电，并将它们放在一个限制其运动的小拇指甲大小的托盘中。

这台H2计算机目前是32个量子比特，但该公司说它将增长到50个。他们正在建造一个可以处理更多的原型；Stutz说，该版本将使用一个网格图案的托盘，因此，现在用于计算机的、约100平方英尺的区域将不需要更大。

小小的量子比特在一个大约哈密瓜大小的金属室中，需要保持低温，使其几乎达到“绝对零度”——即可能的最低温度。这些量子比特发出光，表明它们是开着的、关着的，还是处于两者之间的状态。

随着Quantinuum公司使其计算机更加强大，它也希望随着时间的推移缩小其规模。至于这些房间大小的电脑何时能缩小尺寸和成本，成为我们桌上的另一台电脑，“在可预见的未来，这不会发生，”Stutz说：“目前，这仍然是一项云服务，客户在这里发送工作就像上传文件一样简单。”

看着Quantinuum计算机，听着所有用于发明它的科学，我们正站在一个新时代的风口浪尖上：类似于计算先驱Ada Lovelace解释“分析引擎(analytical engine)”的潜力。

[1]https://www.quantinuum.com/news/quantinuum-launches-the-most-benchmarked-quantum-computer-in-the-world-and-publishes-all-the-data

[2]https://www.businessinsider.com/quantinuum-new-quantum-computer-microsoft-jpmorgan-nvidia-2023-5

[3]https://arxiv.org/pdf/2305.03828.pdf