中國(guó)量子計(jì)算機(jī)：小“嬰兒”，大未來(lái)

位于上海的中國(guó)科學(xué)院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院的一間實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，三平方米的實(shí)驗(yàn)臺(tái)上看似毫無(wú)章法、密密麻麻地布滿大大小小的鏡片和古怪的器件，一些電線從上方的支架上垂落下來(lái)，旁邊的一臺(tái)儀器發(fā)出單調(diào)的“啁啁”聲。

這是中國(guó)近20位科研工作者經(jīng)過(guò)4年多孕育出的中國(guó)量子計(jì)算機(jī)“嬰兒”，它也是人類歷史上第一臺(tái)超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的光量子計(jì)算機(jī)，5月初才在世人面前首次亮相。

量子計(jì)算所依據(jù)的原理是微觀世界最詭異、令人匪夷所思的量子糾纏現(xiàn)象。對(duì)古人來(lái)說(shuō)，現(xiàn)代電子技術(shù)如同巫術(shù)，而開(kāi)啟未來(lái)科技引擎的量子計(jì)算在當(dāng)今世人眼中又何嘗不是。

制造上帝無(wú)法區(qū)分的光子

這臺(tái)初級(jí)光量子計(jì)算機(jī)的研制者之一、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)年僅34歲的陸朝陽(yáng)教授留著寸頭短發(fā)，眼鏡片藏不住眼中露出的聰慧，人們稱他是操縱光子的“巫師”。

“世界上找不到兩片一模一樣的樹(shù)葉，但是我們可以制造出兩個(gè)一模一樣的光子，可以開(kāi)玩笑地說(shuō)連上帝都沒(méi)有辦法區(qū)分，量子力學(xué)中叫做‘全同’。兩個(gè)獨(dú)立的光子只有一模一樣了，才能讓它們產(chǎn)生量子干涉，或者說(shuō)兩個(gè)光子發(fā)生了相互作用，產(chǎn)生糾纏。如果兩個(gè)光子不一樣，那碰到了也是誰(shuí)也不理誰(shuí)?！标懗?yáng)說(shuō)。

上帝也無(wú)法區(qū)分的光子產(chǎn)生于一個(gè)單光子源，通過(guò)激光激發(fā)一個(gè)量子點(diǎn)，每次就可以產(chǎn)生一個(gè)并且僅有一個(gè)光子，每個(gè)光子之間相隔13納秒。發(fā)出鳴叫聲的是制冷機(jī)，為單光子源提供零下269攝氏度的低溫環(huán)境。

“我們這里的單光子是目前國(guó)際上綜合性能最優(yōu)的，全同性率先達(dá)到了99.5%，同時(shí)效率比國(guó)際上第二名高10倍以上。這是由于我們?cè)?013年創(chuàng)新了一種激發(fā)方法，可以大幅度降低噪音。之前國(guó)外的技術(shù)產(chǎn)生的單光子就好像一對(duì)玩了泥巴的雙胞胎，你可以通過(guò)他們身上的泥巴區(qū)分他們，而我們制造出的光子就像把雙胞胎洗得干干凈凈，你就分辨不出他們了?！标懗?yáng)說(shuō)。

這些干凈的、一模一樣的光子產(chǎn)生后，經(jīng)過(guò)光纖被導(dǎo)引到處理器。光子在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的鏡片之間跑來(lái)跑去，但因?yàn)橐粋€(gè)光子的能量實(shí)在太微小了，僅是一個(gè)40瓦燈泡一秒鐘放出光的萬(wàn)億億分之一，所以我們看不到它們。

經(jīng)過(guò)10多個(gè)波片，改變了偏振信息的光子，被導(dǎo)入一個(gè)關(guān)鍵器件——多路分束器，它相當(dāng)于這臺(tái)光量子計(jì)算機(jī)的CPU。在這里，光子通過(guò)光開(kāi)關(guān)分成五路，分別進(jìn)入光量子網(wǎng)絡(luò)——包含256個(gè)邏輯門(mén)的矩陣中，“巫師們”對(duì)光子進(jìn)行操縱。

那些看似橫七豎八排列的反射鏡、波片、分束器和其他怪異的元器件，其實(shí)是“巫師們”獨(dú)具匠心地精心設(shè)計(jì)、組裝起來(lái)的。

“我們?cè)O(shè)計(jì)出的超低損耗量子線路，處于國(guó)際領(lǐng)先地位。國(guó)際上其他研究組的量子線路效率只有30%，而我們的效率達(dá)到99%?！标懗?yáng)說(shuō)。

自從這個(gè)量子計(jì)算機(jī)“嬰兒”誕生以來(lái)，只做了一件事：玩了一個(gè)叫做“玻色取樣”的游戲。這是科學(xué)家專門(mén)設(shè)計(jì)出來(lái)讓量子計(jì)算機(jī)和經(jīng)典計(jì)算機(jī)比賽的游戲。這臺(tái)量子計(jì)算機(jī)“嬰兒”計(jì)算出結(jié)果輸出到經(jīng)典計(jì)算機(jī)的屏幕上。

對(duì)著顯示屏上高低起伏的譜線，“巫師”說(shuō)：“我們僅操縱了5個(gè)糾纏的光子，它就打敗了早期的經(jīng)典計(jì)算機(jī)了。”而“巫師們”在2016年底已經(jīng)可以操縱10個(gè)糾纏光子，創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄。他們計(jì)劃今年年底實(shí)現(xiàn)操縱大約20個(gè)量子比特。

“雖然這臺(tái)光量子計(jì)算機(jī)還不如你握著的手機(jī)計(jì)算能力強(qiáng)，但它是一個(gè)里程碑。就像人類歷史上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)，有幾個(gè)屋子那么大，今天我們看它一文不值，但是它具有非常重要的科學(xué)意義，從科學(xué)到技術(shù)，再到應(yīng)用，要一步步走來(lái)。”陸朝陽(yáng)說(shuō)，最初汽車(chē)剛發(fā)明的時(shí)候，性能很不可靠，而且沒(méi)有馬車(chē)方便舒適。但是隨著技術(shù)的發(fā)展，汽車(chē)終究超過(guò)馬車(chē)。

尋找通往“羅馬”的路

陸朝陽(yáng)的導(dǎo)師、中國(guó)著名量子物理學(xué)家、中科院院士潘建偉20多年一直致力于對(duì)微觀粒子的操控。“我們前面的路非常艱難，從1999年開(kāi)始逐步實(shí)現(xiàn)了五光子、六光子、八光子和十光子糾纏，之前每一步間隔很長(zhǎng)，而現(xiàn)在進(jìn)展越來(lái)越快，這意味著量子計(jì)算研究就像雨后的春筍，到了爆發(fā)式成長(zhǎng)的相變點(diǎn)。”

他說(shuō)，中國(guó)科學(xué)家在多光子糾纏操控方面保持著國(guó)際領(lǐng)先地位。操縱的粒子數(shù)越多，量子計(jì)算的能力就越強(qiáng)?！拔覀冏罱苋〉眠M(jìn)展是因?yàn)槲覀儼褑喂庾釉粗械氖占?、探測(cè)效率和光的損耗都?jí)褐频阶畹汀！?/p>

由于量子計(jì)算的巨大潛在價(jià)值，歐美各國(guó)都投入了大量人力、物力資源，同時(shí)，大型高科技公司如谷歌、微軟、IBM等也強(qiáng)勢(shì)介入量子計(jì)算研究。如何實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算，科學(xué)家們正在嘗試很多種方案，光量子只是其中的一種。

從事超導(dǎo)量子計(jì)算研究的中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授朱曉波說(shuō)：“我所知道的各國(guó)科學(xué)家在花大力氣做的就有七八種路徑，中國(guó)幾個(gè)研究團(tuán)隊(duì)走在不同的路徑上，我們都在路上。”

“現(xiàn)在誰(shuí)也不知道最后哪個(gè)技術(shù)路線能做成真正有實(shí)用價(jià)值的量子計(jì)算機(jī)，大家都在試，很有可能條條大路通羅馬，好幾個(gè)方向都做成，只是解的問(wèn)題不一樣，有可能會(huì)有不同類型的量子計(jì)算機(jī)，我覺(jué)得在初期的很多年量子計(jì)算機(jī)都是很個(gè)性的。還有一種可能是，或許某一天從一條無(wú)人知道的路徑殺出一匹黑馬。”朱曉波說(shuō)。

目前，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團(tuán)隊(duì)在三個(gè)方向努力推進(jìn)：光量子計(jì)算、超冷原子量子計(jì)算和超導(dǎo)量子計(jì)算。

潘建偉說(shuō)，光量子系統(tǒng)是中國(guó)的傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)。但最快能帶來(lái)有實(shí)際價(jià)值的系統(tǒng)可能是超冷原子?！翱赡茉龠^(guò)一兩年，我們的實(shí)驗(yàn)室就能達(dá)到400個(gè)原子的相干操縱，這將是巨大的進(jìn)步?！?/p>

而超導(dǎo)量子計(jì)算這條技術(shù)路徑也是不能忽視的。谷歌和IBM等公司在這一領(lǐng)域做了巨大投入。潘建偉解釋說(shuō)，這是因?yàn)槌瑢?dǎo)量子系統(tǒng)的可集成性和相干性非常好，目前超導(dǎo)量子比特研究被認(rèn)為是最有可能實(shí)現(xiàn)可拓展量子計(jì)算機(jī)的少數(shù)兩到三個(gè)系統(tǒng)之一。它的耗電量比目前的經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)要小得多，幾乎可以忽略不計(jì)，所以說(shuō)超導(dǎo)量子計(jì)算堪稱完美。而在這方面，中國(guó)技術(shù)成熟度也具有領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。

潘建偉認(rèn)為，光子、超冷原子和超導(dǎo)這三個(gè)系統(tǒng)可以相互借鑒。比如，光系統(tǒng)有些算法做清楚后，可以應(yīng)用在其他量子系統(tǒng)。另外超冷原子計(jì)算發(fā)展出來(lái)的一些電子學(xué)技術(shù)，對(duì)于超導(dǎo)量子計(jì)算也起到了很好的推動(dòng)作用。幾個(gè)團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)協(xié)同創(chuàng)新。

他說(shuō)，目前在量子計(jì)算領(lǐng)域面臨非常激烈的競(jìng)爭(zhēng)。在量子通信領(lǐng)域，中國(guó)已世界領(lǐng)先，但是量子計(jì)算的人才與歐美還有一定差距。“在光量子計(jì)算方面我們是領(lǐng)先的，在超冷原子方面，我們也成為國(guó)際上最好的幾個(gè)團(tuán)隊(duì)之一，超導(dǎo)量子計(jì)算領(lǐng)域仍需要培養(yǎng)更多人才?！?/p>

在潘建偉規(guī)劃的量子計(jì)算發(fā)展路線圖上，2020年，中國(guó)有望研制出50個(gè)左右量子比特的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)，超越目前最強(qiáng)大的經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)“量子稱霸”。

孕育中的另一個(gè)“嬰兒”

在中國(guó)科學(xué)院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院的另一間實(shí)驗(yàn)室，超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)也在孕育之中。與光量子計(jì)算機(jī)五臟六腑一覽無(wú)余地鋪陳開(kāi)來(lái)不同的是，超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)的核心部件都包裹在一個(gè)懸在空中一米多高的圓柱形罐子里。同樣有制冷機(jī)發(fā)出鳴叫，不過(guò)超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)需要的環(huán)境溫度更低，達(dá)到零下273.15攝氏度。

它的主要研制者之一、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授朱曉波說(shuō)，他與浙江大學(xué)王浩華教授以及陸朝陽(yáng)、潘建偉合作，用超導(dǎo)材料研制出世界上糾纏數(shù)目最多（即10比特）的超導(dǎo)量子芯片。

這個(gè)指甲蓋大小的芯片就位于圓柱形罐子的底部，巨大的罐子是為了提供芯片工作所需要的極低溫、極低噪聲的環(huán)境。

朱曉波認(rèn)為，目前這套系統(tǒng)還不能稱為一臺(tái)超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)。他希望能做出平臺(tái)和接口，大家都可以去訪問(wèn)它，給它拋出一個(gè)問(wèn)題，讓它算完了把問(wèn)題輸出?！傲孔佑?jì)算機(jī)是全新的東西，怎么運(yùn)轉(zhuǎn)、怎么算，很多最頂級(jí)的科學(xué)家也不清楚。我們希望今年年底能做出10比特的演示機(jī)器?！?/p>

他說(shuō)，目前研發(fā)超導(dǎo)量子計(jì)算最困難的是，如何提高量子芯片的操控精度。量子芯片是一個(gè)非常脆弱的系統(tǒng)，蝴蝶扇動(dòng)翅膀的能量都比操控量子的能量高萬(wàn)億億倍，所以屏蔽震動(dòng)、電磁波等造成的環(huán)境噪聲非常關(guān)鍵。

“而這其中特別難做到的是在提高操控的量子比特?cái)?shù)目的同時(shí)，還要屏蔽噪聲，因?yàn)槊恳桓€都是噪聲源，每增加一個(gè)量子比特，就增加了噪聲，這是很矛盾的。這是我們需要研究和攻克的難題?！敝鞎圆ㄕf(shuō)。

浙江大學(xué)教授王浩華介紹，這套系統(tǒng)中除了提供低溫環(huán)境的設(shè)備是從國(guó)外進(jìn)口，其他設(shè)備都是研究團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)。實(shí)驗(yàn)中需要低溫放大器，歐洲的生產(chǎn)商卻對(duì)中國(guó)禁運(yùn)，科研人員便下決心自己研發(fā)出來(lái)。

潘建偉認(rèn)為，中國(guó)科學(xué)家10年之內(nèi)可以做到100個(gè)量子比特的操縱，這樣就可以研制出在某些方面有實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)，它的計(jì)算能力可以達(dá)到現(xiàn)在全世界計(jì)算能力總和的百萬(wàn)倍。

人類對(duì)計(jì)算能力的需求是無(wú)止境的。歷史上第一臺(tái)經(jīng)典計(jì)算機(jī)是用來(lái)做彈道軌跡的計(jì)算。IBM的創(chuàng)立者托馬斯·沃森曾說(shuō)，全世界只需要5臺(tái)計(jì)算機(jī)就夠了。但是現(xiàn)在每個(gè)人都至少需要一臺(tái)。

那么未來(lái)人人都會(huì)有臺(tái)量子計(jì)算機(jī)嗎？

潘建偉預(yù)測(cè)全世界有幾萬(wàn)或者幾百萬(wàn)臺(tái)量子計(jì)算機(jī)。“但是我家里肯定不需要有一臺(tái)。把手機(jī)、筆記本電腦造成低溫，那是很困難的。但是，我可以使用云計(jì)算，通過(guò)量子通信把需要計(jì)算的任務(wù)發(fā)送到云端?！?/p>

“傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)已經(jīng)能算得很好的問(wèn)題，我們就不需要用量子計(jì)算機(jī)。我們要解決的是原來(lái)的超級(jí)計(jì)算機(jī)解決不了的問(wèn)題，例如破譯密碼、天氣預(yù)報(bào)、藥物設(shè)計(jì)。量子計(jì)算還能大力推動(dòng)人工智能的研究?！迸私▊フf(shuō)：“以后是否有通用的量子計(jì)算機(jī)，現(xiàn)在還很難說(shuō)，也許有，也許沒(méi)有?？赡軐?lái)的量子計(jì)算機(jī)跟我們現(xiàn)在想象的都不一樣?！?/p>