量子計算的“百家爭鳴”時代

金賢敏（上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院研究員，博導(dǎo)）

量子計算的“百家爭鳴”時代

金賢敏（上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院研究員，博導(dǎo)）

每當(dāng)新思潮、新科技剛剛出現(xiàn)在大眾視野時，探索精神永遠(yuǎn)驅(qū)動著人們?nèi)ド钊胝J(rèn)識未知的事物。多樣的途徑、豐富的方法不斷涌現(xiàn)，都能在這自由又朝氣蓬勃的叢林里獲得自己的領(lǐng)地。春秋諸子百家時代、歐洲文藝復(fù)興時期是好的例證，計算機(jī)初期發(fā)展時代亦是如此。在硅谷參觀“計算機(jī)歷史博物館”時，看到20世紀(jì)50～70年代第一代計算機(jī)的研發(fā)如火如荼，美國賓州的ENIAC、紐約州的IBM 1401、威斯康星州的Cray-1、英國劍橋的EDSAC、曼徹斯特的Mark 1等基于各種物理體系的計算機(jī)似雨后春筍。

時光輪轉(zhuǎn)，這種“馮-諾伊曼”計算機(jī)走進(jìn)了千家萬戶，而現(xiàn)在勢不可擋地將要開啟一個新的量子計算機(jī)時代。數(shù)十年前就有了費曼關(guān)于量子計算的構(gòu)想，指出大幅提升計算速度的可能性，但只限于紙上談兵；而眼下“摩爾定律”趨于瓶頸，人工智能、金融、新材料研發(fā)、醫(yī)療及生命科學(xué)等前沿科學(xué)對大數(shù)據(jù)處理的需求急速提升，這些都使得量子計算機(jī)從書本走進(jìn)現(xiàn)實變得迫在眉睫。

計算機(jī)業(yè)界巨頭敏銳洞察到了這株將要萌出的春芽，紛紛舉起迎戰(zhàn)大旗。谷歌早在2009年起就與DWave systems公司合作研究基于“量子退火”算法的模擬量子計算，采用的超導(dǎo)體物理體系具有很好的可擴(kuò)展性，目前約1 000量子比特的量子退火器超導(dǎo)芯片已能夠商業(yè)化，并在特定的優(yōu)化任務(wù)中表現(xiàn)優(yōu)越，只是這種算法是否合理利用量子效應(yīng)仍受質(zhì)疑。D-Wave早期另一份量子退火器芯片被洛克希德馬丁公司所購，買家志在探索量子計算在軍事中的應(yīng)用前景。相比谷歌的先鋒行動，IBM這家計算機(jī)百年老店也在新戰(zhàn)役中開打得及時有力，近期發(fā)布全球首個商業(yè)用途量子計算云服務(wù)IBM Q，依靠一臺含有5個超導(dǎo)環(huán)路的5量子比特量子計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。IBM志在實現(xiàn)真正的通用量子計算，但目前受限于量子比特數(shù)擴(kuò)展，與能夠展示量子優(yōu)越性的50個量子比特還有一定距離。在最近的性能測評中，IBM的超導(dǎo)量子計算機(jī)準(zhǔn)確率明顯低于馬里蘭大學(xué)ionQ實驗室的5量子比特離子阱量子計算機(jī)，不過在運算速度上，前者比后者快近3個數(shù)量級。還有微軟，前瞻性地提出基于馬約拉納費米子的“拓?fù)淞孔佑嬎恪睉?zhàn)略，馬約拉納費米子的反粒子就是它本身，因此可能構(gòu)建比其他量子體系更穩(wěn)定的量子態(tài)，但是目前馬約拉納費米子的實驗獲取和研究還處在非常初級的階段，應(yīng)用于量子計算具有不確定性且征程漫漫。

中國同樣也邁出了堅定的步伐。阿里巴巴聯(lián)合中國科學(xué)院設(shè)立量子計算中心，潘建偉教授組在多光子量子糾纏、冷原子系綜和量子計算等方面都有強(qiáng)勁的實力。目前可操控光量子數(shù)已達(dá)到10，光量子數(shù)逐年增長的趨勢恰似光量子計算“摩爾定律”。而宏觀光學(xué)固有的高損耗、操控精度和穩(wěn)定性等技術(shù)難題已成為光量子系統(tǒng)擴(kuò)展的原理性瓶頸。我們目前在上海交通大學(xué)正致力于量子信息技術(shù)芯片化和集成化研究，通過飛秒激光直寫技術(shù)，就像3D打印一樣制備可集成大規(guī)模光子線路的光量子芯片，構(gòu)建尺度和復(fù)雜度上都達(dá)到全新水平的光量子系統(tǒng)，推動新物理的探索和大規(guī)模光量子計算機(jī)的研制。在20世紀(jì)40～70年代計算機(jī)技術(shù)初步發(fā)展時期，基本上只有歐美數(shù)國活躍的身影；在量子計算這新一輪科技浪潮中，中國已經(jīng)具備一定的實力和研究成果并在光量子計算方面略有領(lǐng)先優(yōu)勢。中國正以積極主動、昂然向上的姿態(tài)參與到前沿科學(xué)的國際競爭合作中，作為當(dāng)代的中國科學(xué)工作者，深感幸運亦倍受激勵！

誠然，眼下不管是尚存爭議的谷歌模擬量子計算，可擴(kuò)展性還有待提高的離子阱、光子量子計算，還是目前離實驗實現(xiàn)較遠(yuǎn)的拓?fù)渫ㄓ昧孔佑嬎阋约昂舜殴舱?、金剛石色心等各種其他途徑，都與工業(yè)推廣應(yīng)用存在一定的距離。但是量子計算那充滿神秘而又燦爛美好的愿景，必“引無數(shù)英雄盡折腰”。即便路途布滿荊棘，探索精神永不止息！