量子计算领域的研究者常常发现，任何能在两个稳定能量状态之间切换的量子系统，都有可能被用作量子比特。原子、离子、光子、电子以及人造器件，各有各的支持者。吸引各方押注的关键因素之一，在于技术的可扩展性。要实现复杂计算，我们需要大量高质量的量子比特，而各类技术能否达到这一目标，至今仍存争议。
因此，即便部分技术已能支持数千个量子比特，一些竞争者仍在深耕寥寥数个量子比特的系统——这些公司坚信，自家技术具备更强的规模化潜力。
其中一种技术路线，是利用量子点来囚禁单个电子。其优势在于可沿用制造传统处理器的成熟工艺，而这套工艺的可扩展性已经过充分验证。本周，两篇论文分别描述了量子点的不同应用方式，其中一项研究的吸引力足以令IBM收购其开发公司。与此同时，另一家公司发布了一款处理器，展示了100个电子被囚禁在金刚石缺陷中的技术成果——而这一技术能否扩展，此前并不明朗。
量子点阵列的突破进展
第一则消息来自《自然》杂志刊载的一篇论文，作者是HRL实验室——该机构脱胎于霍华德·休斯创立的研究项目。HRL采用人工制造的量子点，这与显示器中使用的量子点虽有区别，但物理原理相通。两者均通过构建小于电子波长的结构来束缚电子，在显示器中，这一特性可用于控制材料的发射波长。
用于量子比特时，囚禁结构要小得多，目的是将单个电子固定在特定位置。关键在于，这种结构可以制造：通过合理布线，电磁相互作用能够在一小片硅区域内囚禁单个电子。电子一旦被囚禁，其自旋——可以向上、向下，或处于两者的叠加态——便可作为量子比特使用。尽管这项技术在扩展性上具有优势（我们在硅中大规模布线的能力已相当成熟），但电子自旋难以保持稳定，通常需要通过微波进行控制，因而需要一套独立的控制系统。
然而，"通常"并不意味着"必然"。HRL描述了一种不同的方案：使用三个量子点，每个各囚禁一个电子，通过外围电子电路控制三个电子自旋之间的相互作用程度。这一点至关重要——在特定条件下，没有两个电子能拥有相同的自旋，这正是原子轨道填充规律的物理根源：每个能级仅容纳一对电子，一个自旋向上，另一个自旋向下。允许电子相互作用，便可改变其自旋状态。
对这种量子比特进行操作时，只需控制哪些电子在相互作用以及作用程度如何，这一切均通过电子方式实现，从而彻底消除了对微波的依赖，也无需在将硬件冷却至接近绝对零度的制冷系统中铺设大量微波传输线缆。
HRL在论文中花费大量篇幅介绍其控制系统。该系统运行于中间制冷层级，由专为低温低功耗运行优化的传统处理器构成，尽管采用130纳米制程，功耗仍不超过3.5瓦。量子比特的操作指令在外部编译后加载至控制器，随后控制器自主运行。与量子比特芯片之间的通信通过超导带状线缆完成。
HRL描述的系统共有18个量子比特，并在其上运行了一个简单的纠错码，验证了逻辑错误率低于1%。这虽远不及其他技术已实现的水平，但却是一项重要验证，表明HRL面临的挑战很可能属于工程层面，而非物理层面的根本限制。
IBM收购背后的战略考量
尽管该论文署名为HRL，但其研究成果已归IBM所有。这一点值得关注，因为IBM此前将大量资源押注于另一路线——以人造器件"Transmon"为载体、以微波脉冲为控制手段的量子比特技术，而这恰恰是HRL极力规避的控制方式。两者看似并不契合，为此我们就这一决策采访了IBM研究院院长杰伊·甘贝塔。
"从大局来看，我非常看好硅技术——超导量子比特构建于硅之上，自旋量子比特也是如此，"甘贝塔对我们表示，"这给了我们同步推进两条路线、在同一基础上持续构建的灵活性。"目前，这一基础支撑着快速迭代与设计验证。IBM通常每年发布一款新处理器架构，经过两到三代打磨后，再迎来下一代产品。
甘贝塔还暗示，从长远来看，HRL技术有望出现在IBM系统中，与现有技术并肩运行。"展望未来的纠错码，有些码更适合充当量子存储器，有些则更擅长生成魔法态，"甘贝塔说，"我希望拥有足够的硬件灵活性，让两者都能最大化发挥。"
代尔夫特大学的量子点新方案
同期《自然》杂志还刊载了代尔夫特理工大学团队关于量子点量子比特的另一篇论文。我们曾在五月报道过他们的技术——简而言之，该技术同样基于量子点中的单个电子，核心在于移动电子及其自旋。
量子点和其他人造量子比特的一个痛点在于：其连接关系由芯片布线决定，无法灵活变更。由于纠错码依赖量子比特之间的连接几何结构，这意味着在芯片制造时就必须确定采用某一种或少数几种纠错码。若日后出现更优算法或某些操作更适合不同的码，只能等到下一代芯片。
基于囚禁离子或中性原子的量子比特不存在这一局限。这类量子比特可以自由移动，理论上任意两个量子比特均可建立连接，赋予算法极大的灵活性与效率优势。其支持者认为，这足以弥补相对于硅基量子比特较慢的操作速度。
然而，代尔夫特团队在五月展示了一项突破：单个自旋可以从一个量子点移动到相邻的空置量子点，且这种方法具备可扩展性——自旋可以跨越多个中间量子点，从芯片一端传输至另一端。理论上，任意两个自旋均可被移动至相互靠近的位置并发生量子纠缠，从而将制造工艺的优势与原子体系的灵活性融为一体。
此次发表的新论文在此基础上进一步扩展，构建了一条供电子移动的"总线"，并设有若干"站点"，用于在不需要时暂存电子。尽管实现这一系统需要更多硬件，但这些硬件极为紧凑，且其灵活性具有强大潜力。
研究团队描述了一条长1.2微米的总线路径，并指出将自旋从一端传输至另一端再返回的保真度接近98%。研究人员利用少量自旋实现了一个小型纠错码，同时对系统的错误来源进行了系统分析，发现大部分错误源于两个方面：纠缠所需的自旋交换过程中产生的噪声，以及量子比特在移动或等待过程中丧失相干性——这是自旋量子比特的常见问题。
金刚石氮空位技术卷土重来
大约十年前，我们曾关注过另一项技术：金刚石中的氮空位。金刚石由碳原子以规则阵列构成，每个原子与相邻原子共享化学键。然而其中可能散布着各种杂质，包括氮原子。由于氮比碳少形成一个化学键，相邻碳原子便会留下一个未成键的自由电子，其自旋可像量子点中的电子自旋一样被操控，用作量子比特。
这项技术长期面临的难题在于：极难精确控制氮空位在金刚石中的位置。尽管找到空位后可以相对容易地为其布线，但每一块配套芯片都必须量身定制——若采用标准化芯片布局，无法保证在布线预设位置恰好存在且仅存在一个氮空位。来自莱比锡大学的衍生公司Saxon Q，据称已开发出一种技术，能够将氮空位精确放置在10纳米半径范围内。
Saxon Q的硬件在多个方面令人印象深刻，最引人注目的是它可以在室温下运行。其制造的设备符合标准机架尺寸，可直接接入普通电源。另一突出特点是其模块化设计：公司以"核心"为基本单元，每个核心包含8个量子比特，多个核心可集成在单个机架中。该公司上周宣布，已开始销售总量超过100个量子比特的系统，预计数月内开始发货，更大规模的系统则预计明年推出。
无论哪款产品，目前的规模都尚不足以执行有意义的纠错量子计算。但Saxon Q表示，其单硬件量子比特的门保真度已超过99.9%，具备与市场上其他技术相竞争的实力。于是，问题再次回到了起点：这项技术能否实现规模化扩展，依然是最关键的悬念。
Q&A
Q1：HRL实验室的量子点技术与传统量子比特控制方式有何不同？
A：HRL实验室的方案使用三个量子点各囚禁一个电子，通过控制电子自旋之间的相互作用来实现量子操作，全程依靠电子电路完成，彻底摒弃了传统方案中的微波控制系统。这意味着无需在制冷设备中铺设大量微波线缆，系统结构更为简洁。目前该系统包含18个量子比特，逻辑错误率低于1%，IBM已收购开发该技术的HRL实验室相关业务。
Q2：代尔夫特大学的量子点方案解决了什么核心问题？
A：传统量子点量子比特的连接方式由芯片布线固定，无法灵活更换纠错码。代尔夫特团队通过让电子自旋在量子点之间自由移动，实现了类似囚禁离子系统的连接灵活性，同时保留了硅基制造工艺的可扩展优势。最新论文展示了1.2微米总线上近98%的传输保真度，并成功验证了小型纠错码。
Q3：Saxon Q的金刚石氮空位量子计算机有什么特别之处？
A：Saxon Q最大的亮点是其系统可在室温下运行，无需昂贵的低温制冷设备，设备采用标准机架形态，可直接接入普通电源。此外，其模块化设计允许多个8量子比特核心集成在单个机架中。目前已推出超过100量子比特的系统，单量子比特门保真度超过99.9%，预计数月内开始发货。
