构建量子计算机，一次一个脆弱的量子比特

今天几乎所有电脑，从洗碗机里那个便宜的微控制器，到帮人工智能算数据的高端硬件，靠的都是同一种技术：硅片上刻着密密麻麻的微型晶体管。它们能又快又稳地在0和1两个状态之间切换，从而存储和处理信息。量子计算机则有可能超越这种只有0和1的方式，用全新的办法处理信息，解决一些传统计算机做起来太困难的问题。可是，要造出一台足够强大的量子计算机，至今仍是一个巨大的挑战。

量子计算机的算力来自它最基本的零件——量子比特。和只能表示0或1的普通比特不一样，量子比特能表现出‘叠加’和‘纠缠’这些奇妙现象，正是这些现象给了它额外的计算能力。但这些量子效应非常脆弱，很容易被量子比特与周围环境的偶然相互作用所破坏。每一种量子比特技术都在尝试平衡两个难以兼得的要求：既要让量子比特充分隔绝外界干扰，又要便于研究人员操控。

有些研究者把赌注押在天然的原子上。要把一个原子变成量子比特，先要把它隔离并捕获在真空室中。具体做法分为两种：在‘囚禁离子’量子计算中，研究人员使原子失去一个电子，形成带正电的离子，并用电场将其固定；另一种方法使用被称为‘光镊’的紧密聚焦激光束阵列来捕获中性原子。

还有一条重要路线是超导量子计算，它采用人工设计的量子比特。研究人员利用改良的经典芯片微加工工艺，在硅晶圆上制作由铝、铌等金属构成的微小电路；当冷却至极低温时，这些电路成为超导体，并可作为量子比特使用。这类电路被安置在名为‘稀释制冷机’的特殊低温系统中。此外，其他量子比特候选方案还包括电子自旋、光子，以及更奇特的量子系统。

扩大规模是从小型原型迈向大型系统所面临的最大挑战之一。仅制造少量优质量子比特是不够的；按最乐观估计，最终至少需要数万个量子比特，甚至可能达百万量级。更多量子比特也意味着更大、更复杂的控制与测量系统。

这场竞赛已催生许多令人惊叹的装置：牛津大学实验室于2017年拍摄的照片显示，一个锶离子被电场约束在真空室中两根针尖之间约2毫米区域；加州理工学院研究人员在2025年发表论文，报告在直径1毫米的光镊阵列中成功捕获并独立操控6100个铯原子；IBM在纽约州奥尔巴尼的洁净室内，按‘夜鹰’（Nighthawk）设计制造了每块含120个量子比特的超导芯片。目前尚无法判断哪条技术路线将最终胜出，但这些努力本身已展现出人类为构建可靠量子计算机所达到的工程精度。