量子计算机的竞争极有可能由量子比特（qubit）决定，量子比特是量子计算机的最小信息单元。将多个量子比特耦合到计算系统中，是目前量子计算机发展的最大挑战之一。关键问题是哪种物理系统和哪种材料最适合量子比特？基于超导体量子比特的开发目前走在最前，但是越来越多的迹象表明，硅半导体技术可能是一种有前途的替代产品，因为它可以兼容现有技术工艺，使得硅量子芯片在生产中具有很好的先天优势。

经典比特是当前电子计算机中最小的数据存储单元。它可以是0或1的值，换句话说电流如果通过代表“1”，不通过代表“0”。而量子比特不限于这两种状态，它可以同时处于“1”和“0”的中间状态，我们称为“叠加态”。只有在测量时，该中间状态才会变成固定值的。也就是经典比特在任何给定的时间都有固定的值，而量子比特仅在进行相应测量时才具有确定的值。该属性是量子计算机可以利用其解决某些问题的强大计算能力的基础。

这使量子信息的存储变得更加复杂，经典计算机里简单的“电流接通/电流断开”是不能实现的，取而代之的是以电子或光子的量子态来实现存储量子比特。对于硅量子比特，单个电子的固有角动量（电子自旋）可用于信息存储。另外可以用电子的旋转方向结合其量子态对量子信息进行编码。从量子力学概念我们知道这个体系是高度脆弱的，因为即使是原子级上最细微的干扰也会影响电子的角动量从而破坏掉量子信息。

当今的挑战：耦合量子比特

更加困难的任务是互连量子比特，因为单个量子比特不足以执行算术运算。就像电子计算机一样，量子计算机需要将多个量子位连接在一起以形成一个计算系统，因此各个量子比特必须能够进行交互。如果要耦合的量子比特在芯片上相距较远，则必须先使用一种“量子总线”将某个量子比特带到另一个量子比特附近，以实现量子计算操作。

对于基于自旋的量子比特，意味着电子的角动量必须以最小的干扰精确地传输或转移到另一个电子上，而且不仅是一次，可能是操作数千次甚至数百万次。量子比特的互连可能是目前量子计算机发展中的最大障碍。康斯坦茨大学凝聚态理论物理教授吉多·伯卡德（Guido Burkard）说：“设置单个量子比特与组成数十个、数百个或数千个量子比特有所不同。因为在量子比特之间可能会发生难以控制的相互作用。”

当前，最先进的量子计算原型机可以实现大约20到50量子比特的耦合。伯卡德教授说：“这是一项重大的成功。但在实际应用中还有很长的路要走。我们需要数千或数百万个量子比特才能执行有意义的算术运算。”

硅的潜力

迄今为止，最先进的量子计算机系统都是基于超导体的。基于超导体的系统功能非常强大，但必须克服一些限制，因为它们不是在室温下运行，而是在绝对零度值以上（约-273℃）的温度下运行。另外，从技术小型化的角度来看，超导体是相对耗能比较大的，因此芯片上仅安装有少量基于超导体的量子比特。

除了超导体量子比特在进一步发展外，研究人员也正在寻找替代系统。硅是最有前途的材料之一，硅基量子比特的优势在于其尺寸只有几纳米，明显小于超导体系统。因此它们可以被更多的放入计算机芯片中（可能数以百万计）。伯卡德教授解释说：“我们相信硅基半导体的量子比特具有广阔的前景...工业界已经在硅半导体技术方面拥有数十年的经验。硅基量子比特的研发和生产将从中受益匪浅，这是不小的优势。” （编译/Rainet）