我们会有量子笔记本电脑吗？

量子计算机就在这里。但我们能建造一台量子笔记本电脑吗？

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大约80年前，世界正处于战争之中。在秘密的笼罩下，英国、德国和美国的科学家正在创造第一台电子计算机。这些计算机充满了房间，需要大量的电力，并且能够实现以前不可能的计算。很少有人能想到，几十年后，功能强大几个数量级的计算机可以装进背包里——但事实却确实如此。

那么，当我们即将实现真正有用的量子计算时，我们能看到量子笔记本电脑吗？ “我认为这是可能的，”牛津大学量子计算研究员马里奥·盖利 (Mario Gely) 告诉《Live Science》。 “这是高度推测性的，但我想不出量子笔记本电脑不可能实现的根本原因。”

以下是实现这一目标所需的一些步骤。

扩大量子比特数

在科学家制造出量子笔记本电脑之前，他们需要制造出一台有用的量子计算机。仍然存在的问题是需要多少量子位（数字位的量子等价物）才能创建一台真正有用的量子计算机，或者能够解决一系列实用的、现实世界中无法解决的问题。最好的超经典计算机。但它绝对高于目前可能的水平。

理论量子物理学家兼悉尼大学纳米研究所所长斯蒂芬·巴特利特 (Stephen Bartlett) 认为，到本十年末，我们可以看到真正有用的量子计算机。巴特利特告诉《生活科学》杂志：“存在大量开放的科学挑战，这使得这条道路有点模糊，但我们正在接近目标。”

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例如，新开发的量子电荷耦合器件（QCCD）架构可用于制造二维量子位阵列而不是一维阵列 - 这将增加密度，并可能增加数量，量子位。

减少量子计算机的错误

但规模化给建造微型量子计算机带来了另一个挑战：纠正错误或“噪音”。 “我们现有的量子组件有噪音，因此我们需要纠错，这就需要大量的冗余，”巴特利特说。科学家需要减少错误或在量子计算机中建立纠错功能，这需要更多的量子位。许多科学家正在努力解决这个问题。

例如，2023 年 12 月的一项研究试图通过构建具有“逻辑量子位”的量子计算机来减少错误。在 2024 年 4 月发表的另一篇论文中，科学家们设计了一种新型量子位，其行为类似于纠错逻辑量子位。一些科学家甚至提议使用光子（光粒子）作为量子位，其中包括使用激光脉冲的另一项研究。德国美因茨约翰内斯古腾堡大学理论量子光学教授、该研究的合著者彼得·范洛克表示，这种方法具有“纠正错误的固有能力”。

因此，如果在一两年内出现强大且有用的量子计算机，下一步将是小型化。

选择不同类型的量子位

但为了变得非常小，量子计算机可能需要关注与当前流行的不同类型的量子位。当今一些最先进的量子计算机（例如 IBM 和 Google 制造的量子计算机）依赖于充满超导量子位的量子处理单元。但第一台量子笔记本电脑可能不会使用这项技术。

这是因为，就其本质而言，超导量子位必须冷却到高于绝对零的分数（大约 20 毫开尔文），而这需要在一个房间里装满稀释冰箱。像 IBM 这样的公司并没有试图绕过这个规模限制。例如，IBM 目前的量子计算路线图设定了目标，其中包括到 2033 年拥有 2,000 个量子位的量子计算机，这将填满许多房间，而不是一个房间。

巴特利特和盖利解释说，量子笔记本电脑可能会依赖捕获离子量子位，即同时存在于多种状态并使用电磁场悬浮的带电粒子。尽管俘获离子系统在室温下工作并且不依赖于房间大小的冰箱，但它们使用的激光器是巨大的。

“目前，我们的激光系统占地约一立方米 [35 立方英尺]，”Gely 说。 “如果我们假设离子阱是未来，那么我们需要将激光器变得更小。”

激光器不仅必须缩小尺寸，而且必须变得更加先进。当前的系统适合限制 100 个离子。 “目前还不清楚用这么大的激光设备可以控制多少个量子比特，”盖利说。 “你可以控制比我们今天更多的量子位，但肯定不是成熟的量子计算机的数百万个量子位。”

然而，最近的两项进展可能有助于小型化。首先，未来的 QCCD 可以通过增加量子位密度来帮助小型化。其次，7 月，斯坦福大学的研究人员创造了钛蓝宝石激光器，其尺寸比其所取代的激光器小 10,000 倍。

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小型化努力将加大

目前，科学家们的重点是让量子计算机变得更强大，而不是缩小它们的尺寸。巴特利特说：“目前对小型化的驱动力并不如对性能的驱动力那么强烈，这模仿了传统计算机早期拥有大型机的情况。” “人们认为最强大的计算机就像占据了一栋大楼。你知道，为什么有人会认真考虑在背包里携带一台计算机呢？”

计算机的历史表明，量子计算机将首先用于工业、军事和政府应用，然后再转向消费者。 1943 年，Thomas Watson Sr. 曾引用过一段虚构的言论：“世界市场可能会容纳五台计算机”，这句话浮现在脑海中。

当然，全球个人电脑和笔记本电脑市场巨大，那么量子个人电脑和笔记本电脑的需求是否也会出现类似的爆炸式增长？ “我在量子计算课程中经常遇到的问题是，‘我什么时候可以在量子计算机上玩《毁灭战士》？’”巴特利特说。 “但是当你今天可以在电脑上完美地玩《毁灭战士》时，你为什么还要这么做呢？”

相反，巴特利特建议可能存在“量子个人应用程序，例如金融或信息安全方面的利基应用程序”，但事实是，没有人知道。 Gely 提出了另一种建议，将量子处理器与经典处理器并置。 “这可能就像你有一张显卡，但它只对某些任务有用，”盖利说。

目前尚不清楚量子笔记本电脑是否对消费者有用。专家们可以充满信心地说，所有硬件障碍——扩大量子位数量、纠正错误和小型化组件——都是可以克服的。然而，未来的量子笔记本电脑可能不会玩《毁灭战士》。