矽半導體技術已經帶領我們在計算領域取得了令人矚目的成就。但即便它們繼續以前所未有的速度和效能發展（而實現這一點正變得越來越困難），傳統運算的能力也是有限的。
計算領域的下一個真正變革是量子計算——利用材料的量子力學特性來處理信息，其速度之快，將使當今最強大、最精密的超級計算機相形見絀，如同袖珍計算器一般。如今，包括IBM在內的眾多科學家正首次超越理論探討，開始著手構想一台完整的量子電腦的運作方式。在全球各地的實驗室裡，第一批量子電腦的建構模組正逐步變成現實。
考慮到一台真正能運作的量子電腦將徹底改變我們生活的方方面面，這的確意義非凡。憑藉一台相對適中的量子計算機，科學家就能破解複雜的加密方案，以前所未有的精度模擬量子系統，並以無與倫比的效率處理複雜的非結構化資料庫。
但首先他們得建一個。
量子運算的概念由物理學家理查費曼在1980年代初提出，至今仍處於起步階段。但作為一門學科，隨著理論與實踐的融合，它正迎來一個關鍵的轉捩點。建構量子電腦的方法不只一種，目前還遠遠不能確定哪種方法（如果有的話）最終能夠建構出一個可用的系統。然而，在所有這些探索量子世界的不同方法中，存在著一個共同點：一切都圍繞著量子位元。
與傳統計算機一樣，量子計算機也依賴資訊單元。在傳統電腦中，資訊單元是位元（一個位元組通常由八個位元組成），每個位元只能處於兩種狀態之一：0 或 1。你所有的資料——你的 MP3、你的簡訊、你的文件、你的 Tumblr——都只不過是一串串比特而已。
量子位元（qubit）是比特的量子對應。與位元不同，量子位元可以以0、1或疊加態存在，在量子術語中，疊加態基本上意味著它同時是0和1。這就進入了量子特性的奇特領域，這裡的一切都與直覺相去甚遠。 「你從量子態中所有可能的答案開始，然後設計演算法來剔除錯誤的答案，最終找到正確的答案，」IBM研究院實驗量子計算研究團隊經理馬蒂亞斯·斯特芬（Matthias Steffen）說道。你不再需要一次只考慮一個問題的解決方案，而是可以同時考慮多個可能的解決方案。
橫亙在我們與這種令人驚嘆的計算成果之間的，是巨大的挑戰。在量子尺度上工作通常意味著在極低的溫度下進行，往往接近絕對零度。粒子本身就極不穩定。相干時間——精心建構的量子系統在量子態坍縮之前可供電腦讀取的時間——是以微秒為單位來衡量的。而且，由於量子計算本身就存在固有的誤差，量子電腦必須不斷地進行自我糾錯。
其次，測量量子態本身就是一個難題，因為測量往往會導致量子態坍縮。這需要掌握量子關聯或量子糾纏——一種奇特的量子現象，它能將兩個粒子的狀態聯繫起來，即使相隔遙遠，影響其中一個粒子也會影響另一個粒子——這樣研究人員才能在不破壞量子系統的情況下對其進行測量。毋庸置疑，這一切都絕非易事。
這就是為什麼研究人員從小處著手，投入大量腦力和研究經費來開發單一穩定的量子位元——最終目標是開發出數十個、數百個、數千個甚至數萬個量子位元組成的量子串。那麼，未來的量子電腦究竟會是什麼樣子呢？我們目前還無法確定，但幾種不同的方法都展現了巨大的潛力。
人造原子
製造量子比特的方法不只一種。你真正需要的只是能夠提供兩個不同且明確的量子能階的物質，它們分別對應經典系統中的0和1。許多潛在的量子位元都是自然現象，它們透過操控原子核、離子或電子的量子特性，將資訊編碼到量子系統中。但是，如果能夠人工製造出具有你想要的任何特性的量子比特，那會怎麼樣呢？
這種方法催生了量子計算研究的一個全新分支，致力於完善超導量子位元。不出所料，IBM研究院已成為該領域的領導者之一，因為這種方法與該公司在超導、微加工以及——或許最為重要的——將技術規模化轉化為成品方面的專長完美契合。
拋開許多複雜的物理原理，我們可以輕易地將超導量子位元想像成一個人造原子。從技術角度來說，超導量子位元由兩種超導材料構成，它們透過一個稱為約瑟夫森結的裝置運行振盪電流。借助量子物理的神奇力量，量子位元可以從電流可能出現的眾多振盪頻率中篩選出兩個，並將這兩個頻率用作經典的0和1（這裡涉及許多量子力學知識，我們在此不做贅述，但簡而言之，控制這些振盪滿足了量子位元的基本要求）。
超導量子位元的主要優勢在於其可製造性，因此便於定制，並最終可擴展到擁有數百甚至數千個量子位元的大型量子電腦。但即使是IBM團隊——他們最近展示了高達10-100微秒的創紀錄相干時間和95%成功率的門操作——也明白，現在就斷言他們的方法勝出還為時過早。
「超導方法潛力巨大，我們認為它是目前領先的方案，這也是我們致力於此的原因，」IBM研究院資訊物理學計畫負責人馬克凱琴（Mark Ketchen）表示。 「但現在還處於早期階段，情況可能會發生變化。五年後，系統可能會截然不同。”
利用電子自旋
這是因為超導量子位元遠非唯一的選擇。在哈佛大學，阿米爾·雅各比博士正在探索利用量子點（一種具有獨特電子特性的微型半導體晶體）內部電子的自旋來編碼資訊的可能性。簡而言之，電子有兩種可能的自旋態──左旋和右旋──可以分別代表經典比特的0或1態。被囚禁在量子點中的電子自旋可以被測量和操控。但這引出了一個量子計算領域普遍存在的問題。
這與薛丁格的貓所提出的問題如出一轍，薛丁格的貓是量子系統中常見的悖論問題（若想更深入地理解，可以查閱有關這只著名的貓和量子糾纏的相關資料）。為了製造可用的量子比特，研究人員需要一種能夠很好地與環境解耦的量子比特，一種不受外部因素影響的量子比特。同時，量子比特又必須能夠被外部力量操控，以便控制其計算過程。
要找到能夠同時滿足這些相互矛盾的量子計算系統需求的方案並非易事，但電子自旋在很大程度上能夠兼顧這一悖論的兩個方面。從原子尺度來看，自旋的壽命很長，因此可以將資訊編碼到自旋中，使其在系統中長期存在，有助於提高系統的相干性。被束縛在量子點中的電子可以被誘導與周圍環境解耦，同時仍然能夠響應微弱的磁場——這些磁場足夠弱且可預測，即使它們會給量子系統引入產生誤差的噪聲，也相對容易糾正這些誤差。
然而，自旋量子計算也未能倖免於量子計算領域中許多試圖用極小粒子完成重大任務的研究者所面臨的難題。與超導量子位元一樣，量子點計算必須在極低的溫度下進行——大約比絕對零度高十分之一度。撇開所有量子複雜性不談，製造包含多個量子位元的系統本身就面臨巨大的工程挑戰。但雅各比對此卻毫不畏懼。
「我認為，在我們真正面臨冷卻一千或一萬個量子位元的工程挑戰之前，我們會取得很多新的發現，」雅各比說。 “我很樂觀——非常有信心——在我有生之年就能達到這個水平。”
捕獲離子
但你不必深入亞原子層次才能找到適合做量子位元的候選者。離子－電子和質子數量不平衡，因而帶淨電荷的原子－可以成為絕佳的量子比特，其中原子核的自旋代表了0/1經典態。在真空室中，透過電場捕獲並進行雷射冷卻，離子與可能幹擾其脆弱量子態的外部因素完全隔離，從而獲得了極長的相干時間。此外，由於它們帶電，因此比中性原子更容易透過電場進行操控。
雖然相對而言，在真空腔中捕獲一個離子（甚至幾個離子）相對容易，但對於依賴高度可調電場和冷卻雷射的系統而言，每增加一個離子，其複雜性就會急劇增加。當需要考慮數十個甚至數百個量子位元時，如何擴展這類系統就成了首要挑戰。
「你不能像在電晶體上那樣，在晶片上直接建構成百上千甚至百萬個離子，」華盛頓大學囚禁離子量子計算小組的首席研究員、物理學副教授鮑里斯·布利諾夫說道。 「這就是我們如今擴展普通計算機的方式。而對於離子來說，你必須找到一種方法，將它們排列在同一個位置，使它們能夠以量子計算所需的方式相互作用。從這個角度來看，離子處於劣勢。”
布利諾夫和他的團隊正致力於透過一種模組化方法來規避這個問題，該方法採用多個微加工離子阱。每個晶片狀的離子阱可以容納若干離子（但數量不會過多），晶片間的相互作用將透過光纖網路在系統中發射光子來實現。透過將這些單一光子與被捕獲的離子糾纏並使其在系統中傳播，系統中不同晶片上的離子就可以在量子層面上相互作用。
聽起來很不可思議？確實如此。但布利諾夫和他的團隊利用鋇離子進行的研究正在緩慢但穩定的進展。如果他們或其他研究團隊能夠解決可擴展性問題——而目前，這個領域的「如果」比比皆是——那麼離子或許能夠成為未來量子電腦中可行的量子位元。
未來的超級計算機
當然，上述任何一種潛在量子位元，以及全球物理學界正在逐步推進的眾多其他量子運算方法，都可能面臨同樣的問題。最終能夠製造出一台可用的量子電腦的方法——或許在未來十年內，或許更久——可能是上述方法之一，也可能是另一種剛開始研究的途徑，甚至可能是尚未被構想出來的方法。
「我們必須牢記，這仍然是一項科學探索，」哈佛大學的雅各比說。 「我們的研究軌跡會不斷被新的發現所打斷。有時我們以為是這樣，結果卻發現是那樣。這可能會成為一種障礙，但其中一些發現最終會帶來質的飛躍。我們在探索的過程中不斷發現以前未知的事物，我們的研究軌跡也因此得到修正。」
儘管前路仍籠罩在神秘的量子迷霧之中，但對於一台最終成型的量子電腦的形態，人們已達成一些共識。首先，它將包含一個經典組件，用於運行量子電腦內部的量子演算法。其次，它將非常龐大，由一台經典超級電腦和量子電腦組成。而量子電腦——根據量子位元的數量——可能是一系列真空室和光學平台，也可能是一排排用於將粒子冷卻到接近絕對零度的超低溫冷卻室（或完全是其他結構）。
無論最終建成何種結構，這本身就是一項挑戰。經典電子裝置的性能會隨著溫度的降低而不斷下降，因此，要將需要低溫環境的經典電腦和量子電腦連接起來，需要現有技術無法充分解決的工程難題。但總的來說，量子計算領域的研究人員相信，在他們建構完美量子位元的過程中，實際的工程問題也會迎刃而解。而當這些問題得到解決時，研究人員相信，我們將解鎖一種運算能力，它將對人類知識的各個領域產生深遠的影響——甚至以我們尚未想到的方式。
IBM的斯特芬表示：“預測計算機的發展方向並非易事。如果你問發明晶體管的人，晶體管的未來會如何，他們肯定無法想像它有一天會帶來怎樣的變革。量子計算也是如此。”
