ColdQuanta是一家美國量子初創(chuàng)公司，是冷原子量子技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者。公司主要業(yè)務(wù)板塊分為三個(gè)部分：量子計(jì)算、設(shè)備和機(jī)器，以及量子研究即服務(wù)（Quantum Research-as-a-Service）。

潛心研究15年后，這家2007年正式成立的公司在各業(yè)務(wù)板塊均取得顯著成果，其中量子計(jì)算板塊將在2021年底推出希爾伯特（Hilbert）1.0，一個(gè)基于云的100量子比特量子計(jì)算機(jī)；設(shè)備和機(jī)器板塊為量子計(jì)算公司和量子實(shí)驗(yàn)室環(huán)境供應(yīng)硬件組件產(chǎn)品，包括激光冷卻用真空室和光學(xué)組件等；量子研究即服務(wù)板塊支持政府和企業(yè)開發(fā)量子慣性傳感、量子射頻接收器和量子網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，包括將于2022年底推出的高精度原子鐘原型。

ColdQuanta計(jì)劃在2021年底同時(shí)開始進(jìn)行三條業(yè)務(wù)線的產(chǎn)品商業(yè)化工作。

回顧C(jī)oldQuanta的發(fā)展歷程，不難發(fā)現(xiàn)這家公司對(duì)于量子和冷原子技術(shù)均有著深刻的理解。公司的核心創(chuàng)始人Dana Anderson是亞利桑那大學(xué)（University of Arizona）量子光學(xué)博士，畢業(yè)后在加州理工大學(xué)（California Institute of Technology）深造時(shí)開始接觸全息光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和慣性傳感器，并隨后在科羅拉多大學(xué)（University of Colorado）的研究生涯中將工作重點(diǎn)轉(zhuǎn)向了冷原子慣性傳感。

也是在這里，Dana和他的實(shí)驗(yàn)室同事Carl Wieman教授和Eric Cornell博士（2001年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主）首次展示了冷原子通過中空光纖的引導(dǎo)。在量子光學(xué)和冷原子領(lǐng)域的多年深耕讓Dana隨后在美國天體物理聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室（JILA）的工作過程中實(shí)現(xiàn)許多重大突破，也奠定了后來ColdQuanta的核心技術(shù)基礎(chǔ)。

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在JILA，Dana團(tuán)隊(duì)一直專注于研究和控制超冷分子，在低至50毫微開爾文（nK）的溫度下制造鉀銣（KRb）分子氣體，這是一種壽命長且創(chuàng)下最低溫度紀(jì)錄的分子氣體，遵循量子力學(xué)的波動(dòng)模式，而不是普通傳統(tǒng)物理學(xué)嚴(yán)格意義上的粒子性質(zhì)，將在設(shè)計(jì)化學(xué)和量子計(jì)算等領(lǐng)域產(chǎn)生重要影響。

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ColdQuanta公司制造量子計(jì)算機(jī)的方法與此緊密關(guān)聯(lián)，他們通過在二維陣列的激光網(wǎng)格中捕獲銫原子，并將其置于超高真空單元中，創(chuàng)造出量子比特。通過用激光捕獲原子，ColdQuanta公司能夠?qū)⑺鼈兝鋮s到5微開爾文（microkelvin）以下的溫度——基本上接近絕對(duì)零度。

用激光和微波脈沖被以一種方式排列這些原子，以創(chuàng)建門。原子也比超導(dǎo)創(chuàng)造的量子比特小，這意味著更多的原子可以被聚集在更小的區(qū)域內(nèi)。據(jù)悉，這樣的超高真空單元本身僅成人手掌大小，但隨后集成量子計(jì)算機(jī)還需要加入各種激光器和電子裝置，因此整機(jī)體積會(huì)擴(kuò)大不少，但ColdQuanta表示他們正在努力將整機(jī)尺寸限制在一個(gè)19英寸標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜大小。

相比于超導(dǎo)等技術(shù)路線，冷原子路線有明顯的相對(duì)優(yōu)勢。首當(dāng)其沖的便是冷原子量子計(jì)算機(jī)在室溫下即可運(yùn)行，ColdQuanta的技術(shù)路線使得他們利用激光即可達(dá)到低于稀釋制冷機(jī)可制造的千倍以下的低溫，沒有了龐大的制冷機(jī)，也意味著100萬個(gè)冷原子量子比特最終可以被放進(jìn)一個(gè)邊長為數(shù)毫米的區(qū)域里。除此之外，另一個(gè)明顯的優(yōu)勢便是冷原子量子比特的可擴(kuò)展性。

在ColdQuanta的量子計(jì)算機(jī)中，每個(gè)量子比特實(shí)際上就是一個(gè)銫原子，它們天然就是量子比特，且每一個(gè)銫原子都是絕對(duì)相同的，這意味著絕對(duì)的可擴(kuò)展優(yōu)勢，對(duì)于ColdQuanta來說，制造100個(gè)量子比特和制造100萬個(gè)量子比特是相同的工作，而不像超導(dǎo)路線明顯受制造失誤影響而難以擴(kuò)展。足夠低的溫度和天然存在的量子比特不僅帶來超強(qiáng)的穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性，也給了冷原子量子計(jì)算機(jī)絕對(duì)的連接性優(yōu)勢，冷原子技術(shù)路線下，50到60個(gè)量子比特可實(shí)現(xiàn)連接，而在超導(dǎo)世界中，連接數(shù)僅是個(gè)位數(shù)。

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冷原子技術(shù)另一項(xiàng)驚艷的吸引力在于其廣泛的應(yīng)用場景。不僅限于量子計(jì)算，冷原子在精確計(jì)時(shí)、精確導(dǎo)航或超精確射頻傳感方面也扮演著重要角色，ColdQuanta目前在于美國國防和情報(bào)政府部門廣泛開展這方面的研究工作，在量子慣性傳感、量子射頻接收器和量子網(wǎng)絡(luò)技術(shù)均取得突破性進(jìn)展，公司計(jì)劃于2022年底推出的一款高精度原子鐘原型。而基于冷原子技術(shù)的量子計(jì)算機(jī)則將在優(yōu)化、量子機(jī)器學(xué)習(xí)量子化學(xué)和材料科學(xué)、太空等多個(gè)領(lǐng)域大放異彩，例如，物流優(yōu)化、頻譜分配、數(shù)據(jù)中心異構(gòu)計(jì)算等。

在ColdQuanta看來，量子計(jì)算在商業(yè)世界的大放異彩將在10年內(nèi)逐步到來，第一階段便是量子計(jì)算在材料模擬等領(lǐng)域的優(yōu)勢驗(yàn)證，他們計(jì)劃配合這一節(jié)奏，推出時(shí)代需要的量子計(jì)算機(jī)。ColdQuanta的第一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)Hilbert計(jì)劃于2021年正式發(fā)布，這臺(tái)設(shè)備將擁有121（11×11陣列）量子比特，單比特門保真度為99.1%，雙比特保真度為95%。ColdQuanta表示，將在2024年前將比特?cái)?shù)量擴(kuò)展至1000量子比特，以迎接大規(guī)模量子應(yīng)用時(shí)代的到來，并將支持99.99%保真度的糾纏門（雙量子比特門），不斷增強(qiáng)連通性和保真度，并逐步實(shí)現(xiàn)小型化。

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不可否認(rèn)，在實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的道路上ColdQuanta還將面臨許多挑戰(zhàn)，尤其是工程方面的困難，在極小的空間中操控如此大數(shù)量的量子比特絕非易事。但如公司首席商務(wù)官Lipman所說：“這些未來的挑戰(zhàn)絕大多數(shù)都已存在解決方案，我們需要的是更多的時(shí)間、更多的專家以及更多的資金支持，現(xiàn)存問題總會(huì)得到解決。正如許多光量子領(lǐng)域的公司在做的一樣，他們正在實(shí)現(xiàn)越來越多的突破，在從現(xiàn)在到可擴(kuò)展的實(shí)用量子計(jì)算機(jī)之路上，還有眾多諾貝爾獎(jiǎng)級(jí)別的新突破將得以實(shí)現(xiàn)?！?

絕對(duì)領(lǐng)先的領(lǐng)域?qū)＜易孋oldQuanta的前景被寄予厚望，這正體現(xiàn)在政府和市場為其提供的所需支持上。2019-2020年間ColdQuanta分別從DARPA, NASA和美國軍方獲得共計(jì)380萬美元的資金支持，用于推進(jìn)開發(fā)用于量子位(包括原子鐘)、量子射頻探測器和量子通信系統(tǒng)的冷原子技術(shù)。

2020年4月，ColdQuanta從美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)獲得了740萬美元的合同，開發(fā)可擴(kuò)展的、以冷原子為基礎(chǔ)的量子計(jì)算硬件和軟件平臺(tái)，一個(gè)月后被美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)提名為四個(gè)參與其嘈雜中等規(guī)模量子(ONISQ)設(shè)備第一階段優(yōu)化的組織之一。人才和資金支持到位，現(xiàn)在需要做的便是等待，或許足夠的時(shí)間之后，便是ColdQuanta讓量子成為現(xiàn)實(shí)之時(shí)。

文：Chelsea

編輯：慕一