揭開中國量子計算機“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)新研究院的一間實驗室內(nèi)，三平米的實驗臺上看似毫無章法、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年多孕育出的中國量子計算機“嬰兒”，它也是世界上首臺超越早期經(jīng)典計算機的光量子計算機，5月初才在世人面前首次亮相。

量子計算所依據(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

這臺初具雛形的光量子計算機的研制者之一、中國科學(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”。

中國量子計算機發(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’。兩個獨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)生于一個單光子源。發(fā)出鳴叫聲的是制冷機，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際上綜合性能最優(yōu)，全同性比率達(dá)到99.5%，效率比國際上第二名高10倍以上。這是由于我們在2013年創(chuàng)新了一種激發(fā)方法，可以大幅度降低噪音。之前國外技術(shù)產(chǎn)生的單光子就好像一對玩了泥巴的雙胞胎，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。

這些光子在實驗臺上的鏡片間跑來跑去，經(jīng)過10多個波片，改變了偏振信息后被導(dǎo)入一個關(guān)鍵器件——多路分束器，它相當(dāng)于這臺光量子計算機的CPU。在這里，“巫師們”對光子進(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，其實是“巫師們”獨具匠心地設(shè)計、組裝起來的。

“我們設(shè)計出的超低損耗量子線路效率達(dá)到99%，而國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)生們討論光量子計算機的運行情況。 （新華社記者 金立旺 攝）

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

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

“雖然這臺光量子計算機還不如你握著的手機計算能力強，但它是一個里程碑。人類歷史上第一臺電子計算機有幾間屋子大，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，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多年一直致力于對微觀粒子的操控。他的團(tuán)隊近期取得量子計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。“我們早先的路非常艱難，而現(xiàn)在進(jìn)展越來越快，這意味著量子計算研究就像雨后春筍，到了爆發(fā)式成長的節(jié)點。”

由于量子計算的巨大潛在價值，歐美各國以及一些大型高科技公司如谷歌、微軟、IBM等都在大力研究。如何實現(xiàn)量子計算，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)量子計算研究的中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授朱曉波說：“我所知道的各國在花大力氣做的就有七八種路徑，中國幾個研究團(tuán)隊走在不同的路徑上。”

“現(xiàn)在誰也不知道最后哪個技術(shù)路線能做成真正有實用價值的量子計算機，有可能條條大路通羅馬，好幾個方向都做成，只是解的問題不一樣，有可能會有不同類型的量子計算機。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)隊在三個方向努力推進(jìn)：光量子、超冷原子和超導(dǎo)。

潘建偉說，光量子系統(tǒng)是中國的傳統(tǒng)優(yōu)勢。但最快能帶來實際價值的可能是超冷原子系統(tǒng)。“可能再過一兩年，我們的實驗室就能達(dá)到400個原子的相干操縱，這將是巨大的進(jìn)步。”

量子計算機研究實驗裝置。（受訪者供圖）

而超導(dǎo)量子計算這條技術(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。“這是因為超導(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)典超級計算機小得多，幾乎可以忽略不計。而這方面，中國也具有成熟的技術(shù)。”潘建偉說，不同的研究團(tuán)隊?wèi)?yīng)協(xié)同創(chuàng)新、相互借鑒。

潘建偉預(yù)計，2020年中國有望研制出50個左右量子比特的超導(dǎo)量子計算機，超越目前最強大的超級計算機，實現(xiàn)“量子稱霸”。

孕育中的另一個“嬰兒”

在量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院另一間實驗室，超導(dǎo)量子計算機也在孕育之中。與光量子計算機五臟六腑一覽無余地鋪陳開來不同的是，超導(dǎo)量子計算機的核心部件都包裹在一個懸在空中一米多高的圓柱形罐子里。同樣有制冷機發(fā)出鳴叫，不過超導(dǎo)量子計算機需要的環(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)還不能稱為一臺超導(dǎo)量子計算機。他希望能做出平臺和接口，可以讓人去訪問它。“量子計算機是全新的，怎么運算，很多最頂級科學(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、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數(shù)目的同時，還要屏蔽噪聲。”

潘建偉認(rèn)為，中國科學(xué)家10年內(nèi)可以做到100個量子比特的操縱，這樣就可以研制出在某些方面有實用價值的量子計算機，它的計算能力可以達(dá)到現(xiàn)在全世界計算能力總和的百萬倍。

朱曉波介紹超導(dǎo)量子計算機芯片。（新華社記者 金立旺 攝）

人類對計算能力的需求永無止境。第一臺經(jīng)典計算機剛問世時，IBM的創(chuàng)始人托馬斯·沃森曾說，全世界只需要5臺計算機就夠了。但現(xiàn)在每人都至少需要一臺。

那么未來人人都會有量子計算機嗎？

潘建偉預(yù)測，全世界有幾萬或者幾百萬臺量子計算機。“但是我家里肯定不需要有一臺，把手機、筆記本電腦造成低溫很困難。但我可以使用云計算，通過量子通信把需要計算的任務(wù)發(fā)送到云端。”

“傳統(tǒng)計算機已經(jīng)能算得很好的問題，我們就不需要用量子計算機。我們要解決的是經(jīng)典計算機解決不了的問題，例如破譯密碼、天氣預(yù)報、藥物設(shè)計。量子計算還能大力推動人工智能的研究。”潘建偉說：“以后是否有通用的量子計算機，現(xiàn)在還很難說，可能將來的量子計算機跟我們現(xiàn)在想象的都不一樣。”