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年底将至，通常此时会有大量关于量子计算机的公告，部分原因是一些公司希望兑现承诺的时间表。大多数公告涉及对前几代硬件的渐进式改进。但今年，他们有了新东西：第一家采用新量子比特技术的公司进入市场。
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这项技术被称为双轨量子比特（dual-rail qubit），旨在使最常见的错误类型在硬件中变得极其容易检测，从而使纠错效率大大提高。尽管科技巨头亚马逊一直在试验这项技术，但一家名为 Quantum Circuits 的初创公司是首家通过云服务向公众提供双轨量子比特的公司。
什么是双轨量子比特？双轨量子比特是 transmon 量子比特的变体，后者是谷歌和 IBM 等公司青睐的量子比特。基本硬件单元将超导线圈与允许微波光子共振的微小腔体连接起来。这种设置允许共振器中的微波光子影响线圈中的电流行为，反之亦然。在 transmon 中，微波光子用于控制电流。但也有其他公司使用硬件通过改变电流来控制光子的状态。
双轨量子比特使用两个这样的系统连接在一起，允许光子从一个共振器移动到另一个共振器。通过超导线圈，可以控制光子最终进入左或右共振器的概率。光子的实际位置在测量之前是未知的，从而使整个系统能够存储一个量子比特的量子信息。
这有一个明显的缺点：为了相同数量的量子比特，你必须建造两倍的硬件。那么为什么要费心呢？因为绝大多数错误涉及光子的丢失，这很容易检测。Quantum Circuits 的 Andrei Petrenko 表示：“大约 90% 或更多的错误是光子丢失。因此，与其它错误相比，光子丢失是一个巨大的优势。这实际上使得纠错效率大大提高：光子丢失是目前为止最主要的错误。”
Petrenko 表示，在不进行会干扰量子比特存储的测量的情况下，可以确定硬件中是否有奇数个光子。如果不是，你就知道发生了错误——很可能是光子丢失（光子增益很少见，但确实会发生）。对于简单的算法，这将是重新开始的信号。
但如果我们想进行更复杂的计算，这些计算在没有遇到错误的情况下无法完成，那么仍然需要纠错。还有剩下的 10% 的错误，主要是量子系统特有的相位翻转。在双轨设置中，比特翻转更为罕见。最后，仅仅知道光子丢失并不能告诉你修复问题所需的所有信息；仍然需要对逻辑量子比特的其他部分进行纠错测量来修复任何问题。
新机器的布局。每个量子比特（灰色方块）涉及一个左和右共振腔（蓝色点），光子可以在它们之间移动。每个量子比特都有与其最近邻居纠缠的连接。
事实上，最初提供的硬件太小，甚至无法接近有用的计算。相反，Quantum Circuits 选择将八个量子比特与最近邻居连接起来，以允许它托管一个启用纠错的单逻辑量子比特。换句话说：这台机器旨在让人们学习如何利用双轨量子比特的独特特性来改进纠错。
拥有这种独特硬件的一个后果是，控制操作的软件堆栈需要利用其错误检测能力。市场上没有其他硬件可以直接查询以确定是否遇到了错误。因此，Quantum Circuits 不得不开发自己的软件堆栈，以使用户能够实际受益于双轨量子比特。Petrenko 表示，该公司还选择通过自己的云服务提供对其硬件的访问，因为它希望直接与早期采用者联系，以更好地了解他们的需求和期望。
数字还是噪音？鉴于多家公司已经发布了多代量子硬件，并将其扩展到数百个独立的量子比特，现在看到一家公司进入市场，其机器只有少数几个量子比特，可能会显得有些奇怪。但令人惊讶的是，Quantum Circuits 并不是唯一计划在市场上较晚进入，且硬件仅托管几个量子比特的公司。
在与几家公司交谈后，他们的做法是有逻辑的。以下是我试图以一般形式传达这种逻辑的尝试，而不专注于任何单一公司的情况。
每个人都同意，量子计算的未来是纠错，这需要将多个硬件量子比特连接成一个称为逻辑量子比特的单元。为了获得真正无错误的性能，你有两个选择。一是为逻辑量子比特投入大量硬件量子比特，以便同时处理多个错误。或者你可以降低硬件的错误率，以便在使用更少硬件量子比特的情况下获得等效性能的逻辑量子比特。（这两个选项并不互斥，每个人都需要做一点两者。）
这两个选项提出了截然不同的挑战。提高硬件错误率意味着深入研究单个量子比特的物理学及其控制硬件。换句话说，获得频率和能量波动较少的激光器。或者弄清楚如何制造缺陷较少的超导线圈，或处理电子表面上的杂散电荷。这些都是相对困难的问题。
相比之下，扩展量子比特数量主要涉及能够一致地做你已经知道如何做的事情。因此，如果你已经知道如何制造好的超导线，你只需要制造几千个而不是几十个。将捕获原子的电子设备制造得更容易制造数千次。这些主要是工程问题，通常与我们已经解决的电子革命问题具有相似的复杂性。
换句话说，在一定限度内，扩展是一个比错误更容易解决的问题。要获得我们今天在硬件上纠错复杂算法所需的数百万个硬件量子比特仍然极其困难。但如果我们能稍微降低错误率，我们可以使用更小的逻辑量子比特，可能只需要 10,000 个硬件量子比特，这将更容易实现。
先解决错误有证据表明，即使是量子计算的早期进入者也以同样的方式推理。自 2019 年量子霸权公告以来，谷歌一直在改进同一芯片设计，专注于了解该芯片改进版本上发生的错误。IBM 将达到 1,000 个量子比特作为主要目标，但此后一直专注于减少较小处理器的错误率。一家量子计算初创公司的人曾经告诉我们，在其硬件中捕获更多原子并增加量子比特数量是微不足道的，但鉴于当时一代机器上量子比特的错误率，这样做并没有太大意义。
现在进入这个市场的新公司认为，他们拥有一项技术，要么会大幅降低错误率，要么会使处理发生的错误变得更容易。Quantum Circuits 显然属于后者，因为双轨量子比特完全是为了使最常见的错误类型变得微不足道。前一类公司包括 Oxford Ionics，该公司表示其单量子比特门的保真度超过 99.9991%。或者 Alice & Bob，该公司将量子比特存储在单个共振腔中多个光子的行为中，使其对单个光子的丢失非常鲁棒。
这些公司押注他们拥有独特的技术，能够比现有参与者更有效地处理错误率问题。这将降低他们需要进行的总扩展，扩展将是一个更容易的问题——而且他们可能已经具备了处理这个问题的条件。例如，Quantum Circuits 的 Petrenko 告诉 Ars：“我认为我们已经到了经过多次迭代这种量子比特架构的地步，我们已经降低了多个工程障碍的风险。”Oxford Ionics 告诉我们，如果他们能制造一次用于在其硬件中捕获离子的电子设备，那么大规模制造它们将很容易。
这并不意味着这些公司会比已经拥有减少错误和扩展经验的初创公司或像谷歌或 IBM 这样拥有资源来同时处理两者的大公司更容易。但它确实解释了为什么，即使在量子计算发展的这个阶段，我们仍然看到初创公司进入这个领域。
