揭開中國(guó)量子計(jì)算機(jī)“嬰兒”的神秘面紗

位于上海的中科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)，三平米的實(shí)驗(yàn)臺(tái)上看似毫無章法、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，旁邊的一臺(tái)儀器發(fā)出單調(diào)的“啾啾”聲。

這是近20位科研工作者經(jīng)過4年多孕育出的中國(guó)量子計(jì)算機(jī)“嬰兒”，它也是世界上首臺(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的量子糾纏現(xiàn)象。對(duì)古人來說，現(xiàn)代電子技術(shù)如同巫術(shù)，而開啟未來科技引擎的量子計(jì)算在當(dāng)今世人眼中又何嘗不是。

制造上帝無法區(qū)分的光子

這臺(tái)初具雛形的光量子計(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”。

中國(guó)量子計(jì)算機(jī)發(fā)展路線圖。（受訪者供圖）

“世界上找不到兩片一模一樣的樹葉，但我們可以制造出兩個(gè)一模一樣的光子，可以開玩笑地說連上帝都無法區(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，進(jìn)而糾纏，否則兩個(gè)光子誰都不理誰。”陸朝陽說。

上帝也無法區(qū)分的光子產(chǎn)生于一個(gè)單光子源。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。

“我們這里的單光子目前在國(guó)際上綜合性能最優(yōu)，全同性比率達(dá)到99.5%，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。”陸朝陽說。

這些光子在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的鏡片間跑來跑去，經(jīng)過10多個(gè)波片，改變了偏振信息后被導(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，“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)具匠心地設(shè)計(jì)、組裝起來的。

“我們?cè)O(shè)計(jì)出的超低損耗量子線路效率達(dá)到99%，而國(guó)際上其他研究組的量子線路效率只有30%。”陸朝陽說。

陸朝陽和學(xué)生們討論光量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)行情況。 （新華社記者 金立旺 攝）

這個(gè)“嬰兒”誕生以來，只做了一件事：玩了一個(gè)叫“玻色取樣”的游戲。這是科學(xué)家專門設(shè)計(jì)出來讓量子計(jì)算機(jī)和經(jīng)典計(jì)算機(jī)比賽的游戲。

對(duì)著顯示屏上高低起伏的譜線，“巫師”說：“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)。”而“巫師們”在2016年底已可以操縱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。人類歷史上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)有幾間屋子大，今天我們看它一文不值，但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。”陸朝陽說，最初汽車剛發(fā)明時(shí)，性能很不可靠，還沒有馬車方便舒適。但隨著技術(shù)的發(fā)展，汽車終究超過馬車。

尋找通往“羅馬”的路

陸朝陽的導(dǎo)師、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。他的團(tuán)隊(duì)近期取得量子計(jì)算方面的突破得益于單光子源和超低損耗量子線路方面的進(jìn)展。“我們?cè)缦鹊穆贩浅ＦD難，而現(xiàn)在進(jìn)展越來越快，這意味著量子計(jì)算研究就像雨后春筍，到了爆發(fā)式成長(zhǎng)的節(jié)點(diǎn)。”

由于量子計(jì)算的巨大潛在價(jià)值，歐美各國(guó)以及一些大型高科技公司如谷歌、微軟、IBM等都在大力研究。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：“我所知道的各國(guó)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。”

“現(xiàn)在誰也不知道最后哪個(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)，有可能條條大路通羅馬，好幾個(gè)方向都做成，只是解的問題不一樣，有可能會(huì)有不同類型的量子計(jì)算機(jī)。還有一種可能是，或許某一天從一條無人知道的路徑殺出一匹黑馬。”朱曉波說。

目前，潘建偉團(tuán)隊(duì)在三個(gè)方向努力推進(jìn)：光量子、超冷原子和超導(dǎo)。

潘建偉說，光量子系統(tǒng)是中國(guó)的傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)。但最快能帶來實(shí)際價(jià)值的可能是超冷原子系統(tǒng)。“可能再過一兩年，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。”

量子計(jì)算機(jī)研究實(shí)驗(yàn)裝置。（受訪者供圖）

而超導(dǎo)量子計(jì)算這條技術(shù)路徑也不能忽視。谷歌、IBM等公司在這一領(lǐng)域做了巨大投入。“這是因?yàn)槌瑢?dǎo)量子系統(tǒng)的可集成性和相干性非常好，它的耗電量比經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)小得多，幾乎可以忽略不計(jì)。而這方面，中國(guó)也具有成熟的技術(shù)。”潘建偉說，不同的研究團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)協(xié)同創(chuàng)新、相互借鑒。

潘建偉預(yù)計(jì)，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”

在量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院另一間實(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)五臟六腑一覽無余地鋪陳開來不同的是，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。

作為它的主要研制者之一，朱曉波說，他與浙江大學(xué)王浩華教授以及陸朝陽、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，可以讓人去訪問它。“量子計(jì)算機(jī)是全新的，怎么運(yùn)算，很多最頂級(jí)科學(xué)家也不清楚。我們希望今年年底能做出10量子比特的演示機(jī)器。”

他說，目前最困難的是如何提高量子芯片的操控精度。量子芯片是非常脆弱的系統(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。”

潘建偉認(rèn)為，中國(guó)科學(xué)家10年內(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)用價(jià)值的量子計(jì)算機(jī)，它的計(jì)算能力可以達(dá)到現(xiàn)在全世界計(jì)算能力總和的百萬倍。

朱曉波介紹超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)芯片。（新華社記者 金立旺 攝）

人類對(duì)計(jì)算能力的需求永無止境。第一臺(tái)經(jīng)典計(jì)算機(jī)剛問世時(shí)，IBM的創(chuàng)始人托馬斯·沃森曾說，全世界只需要5臺(tái)計(jì)算機(jī)就夠了。但現(xiàn)在每人都至少需要一臺(tái)。

那么未來人人都會(huì)有量子計(jì)算機(jī)嗎？

潘建偉預(yù)測(cè)，全世界有幾萬或者幾百萬臺(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很困難。但我可以使用云計(jì)算，通過量子通信把需要計(jì)算的任務(wù)發(fā)送到云端。”

“傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)已經(jīng)能算得很好的問題，我們就不需要用量子計(jì)算機(jī)。我們要解決的是經(jīng)典計(jì)算機(jī)解決不了的問題，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。”潘建偉說：“以后是否有通用的量子計(jì)算機(jī)，現(xiàn)在還很難說，可能將來的量子計(jì)算機(jī)跟我們現(xiàn)在想象的都不一樣。”