通用门、DOE路线图与IBM制冷模块：量子计算交付的一周

同一周末，美国能源部发布了一份全国性路线图，推动该领域从单纯统计量子比特数量转向证明科学实用性。档案中这两份文件均标注为9月27日，它们瞄准同一个问题：在量子计算机被称为有用之前，它必须做到什么。

据ScienceDaily对芝加哥大学这项工作的报道，团队创建了与S3对称群相关的非阿贝尔任意子。S3群包含保持等边三角形不变的旋转与镜像翻转操作。他们在Quantinuum的H2离子阱处理器上纠缠了54个量子比特。仅靠编织是不够的，研究人员将编织与融合结合，才得到完整的操作集合。论文发表在Nature上。这是技术里程碑，而非产品发布，这一区别决定了如何解读该结果。

“我们演示了一套所谓的通用门集合。这意味着，如果你把信息存储在这些涌现版本的夸克中，并移动它们，就能完成任何你想要的量子计算，”芝加哥大学普利兹克分子工程学院分子工程助理教授、共同作者Ruben Verresen说。

这是一个强有力的声明，研究人员对其涵盖与不涵盖的内容保持谨慎。同一团队2024年在Quantinuum硬件上使用D4对称群的实验表明，任意子可以被制造和移动，但无法完成所有操作。Verresen直言：“我们创造的那个特定宇宙不够强大。”而在54个量子比特上的S3系统则足够强大。

为什么魔态问题很重要

纠错是这条研究路线存在的原因。量子计算机容易丢失信息，因此工程师将一个逻辑量子比特分散到许多物理量子比特上。这保护了数据，但通常无法提供所需的全部操作。为填补缺口，团队会制备所谓的魔态。制备魔态需要一种称为蒸馏的纯化过程，这可能消耗机器很大一部分量子比特。

Quantinuum慕尼黑办公室董事总经理兼科学负责人Henrik Dreyer在同一篇ScienceDaily文章中，将非阿贝尔码描述为另一条路径。“非阿贝尔码是量子纠错竞赛中的一匹黑马，”他说，并补充道，这项工作表明，“容错计算原则上可以在不诉诸魔态蒸馏或魔态培育的情况下完成，而这两者是标准量子纠错码中最昂贵的操作。”

有一点需要注意：这次演示是54个量子比特上的一套门集合，不是一台可用的容错机器。ScienceDaily称，这是该方法能够支持通用操作的首次实验演示。档案中没有任何内容表明，已用这种方法在规模化条件下运行过逻辑量子比特。

DOE要的是科学实用性，不是量子比特数量

费米实验室于9月27日发布了DOE路线图，其表述直言不讳地说明了什么才算进步。这份报告名为《SCAC量子委员会报告：通往集成量子未来的路径》，由费米实验室首席技术官Anna Grassellino担任主席的小组委员会编写，芝加哥大学教授Supratik Guha任副主席。费米实验室表示，该过程吸收了国家实验室、学术界、产业界和联邦机构的意见，贡献者达数百人。

路线图设定了一个里程碑：到2028年展示一台具有科学相关性、带纠错的量子计算机。随后列出三个阶段。第一阶段为2026年至2028年，是一组竞争性的“量子大挑战”，让国家实验室、大学和产业界围绕协同设计的硬件、算法和软件展开合作。第二阶段计划建设DOE量子计算用户设施。报告明确指出，这不会是商业化的“黑箱”云服务，而是一台开放仪器，研究人员在此与供应商共同开发硬件和软件。第三阶段从2030年起，设想将量子协处理器、模拟器和传感器织入该部门现有的AI和高性能计算网络。

报告还主张保持技术中立，鉴于目前众多硬件路线正在下注，这一点至关重要。它列出了目标应用：为药物发现预测分子性质、设计催化剂、模拟与聚变相关的材料，以及为早期宇宙物理建模。这些是DOE希望解决的问题，而非基准测试分数。

另外两项工程进展，其中一项更早

杜克大学9月26日报道称，其研究人员用一台13离子离子阱量子模拟器复现了弦断裂。弦断裂是指两个相连的物质基本单元被拉开，直到积累的能量足以产生新的粒子对。这项工作于9月23日发表在Nature Physics上，合作者来自马里兰大学、牛津大学、加州理工学院、康奈尔大学和鲁汶大学。

在杜克量子中心领导这项研究的Christopher Monroe表示，量子模拟是研究物质形成问题的最佳可用平台，“除非你亲眼见证大爆炸本身”。第一作者Arinjoy De现就职于QuEra Computing，他说团队在受控实验室环境中模拟了夸克禁闭和弦断裂现象。

这里有一个诚实的局限。在13个离子的规模上，经典计算机仍能核对答案，杜克团队正是这么做的：其经典计算与量子模拟器的结果一致。他们的赌注是，更大、更复杂的问题版本最终会超出经典机器的能力范围。

IBM的贡献更早，日期为8月19日，9月21日出现在档案中。该公司表示，它将两个低温模块连接并冷却到同一环境中。每个模块高超过8英尺、宽超过8英尺，温度低于15毫开尔文，IBM称这比深空冷180多倍。这些模块提供的布线空间最多是IBM使用最广的量子系统的12倍。IBM计划今年晚些时候在其中安装Quantum Nighthawk处理器。目标是2029年的IBM Quantum Starling，IBM预计它将成为世界上第一台容错量子计算机。

IBM Research负责人Jay Gambetta称这次模块连接是朝把容错机器带给各行业迈出的“一大步”。Starling背后的路线图细节，包括去年宣布的一套纠错码，属于公司说法，而非独立结果。

这一周究竟说明了什么

三家机构，三种进展。ScienceDaily刊登了两项实验结果，一项关于用非阿贝尔任意子实现通用操作，一项关于模拟早期宇宙物理。费米实验室发布了一份政策文件，它将决定美国公共资金的流向。IBM新闻室发布了一项工程里程碑，涉及任何大规模机器都需要的冷却基础设施。

它们都不是一台完成的量子计算机。任意子结果需要扩展到54个量子比特以上。杜克的模拟需要增长到经典机器无法核验的规模。IBM的模块还需要芯片和一套2029年才会交付的容错架构。DOE到2028年实现一台具有科学相关性、带纠错的机器的目标，正好落在这条时间线的中间，并且取决于尚未启动的挑战。

将它们联系在一起的是该领域对里程碑定义的变化。受保护信息上的通用门集合、可控模拟器上的弦断裂、容纳数百枚芯片的布线空间、一份以解决问题衡量成功的设施计划。档案中最新的一些条目无关更大的数字，它们关乎这些数字能否做成任何事。