中國量子計算機:小「嬰兒」,大未來

▲科學技術大學陸朝陽教授（中）和學生們在中科院量子信息和量子科技創新研究院上海實驗室檢查光量子計算機的運行情況。新華社記者金立旺攝

新華每日電訊記者喻菲、徐海濤、周琳

位於上海的科學院量子信息和量子科技創新研究院的一間實驗室內,三平方米的實驗台上看似毫無章法、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,旁邊的一台儀器發出單調的「啁啁」聲。

這是近20位科研工作者經過4年多孕育出的量子計算機「嬰兒」,它也是人類歷史上第一台超越早期經典計算機的光量子計算機,5月初才在世人面前首次亮相。

量子計算所依據的原理是微觀世界最詭異、令人匪夷所思的量子糾纏現象。對古人來說,現代電子技術如同巫術,而開啟未來科技引擎的量子計算在當今世人眼中又何嘗不是。

製造上帝無法區分的光子

國外技術產生的單光子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分他們,而我們製造出的光子就像把雙胞胎洗乾淨,讓人分辨不出

這台初級光量子計算機的研製者之一、科學技術大學年僅34歲的陸朝陽教授留著寸頭短髮,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葉,但是我們可以製造出兩個一模一樣的光子,可以開玩笑地說連上帝都沒有辦法區分,量子力學中叫做『全同』。兩個獨立的光子只有一模一樣了,才能讓它們產生量子干涉,或者說兩個光子發生了相互作用,產生糾纏。如果兩個光子不一樣,那碰到了也是誰也不理誰。」陸朝陽說。

上帝也無法區分的光子產生於一個單光子源,通過激光激發一個量子點,每次就可以產生一個並且僅有一個光子,每個光子之間相隔13納秒。發出鳴叫聲的是制冷機,為單光子源提供零下269攝氏度的低溫環境。

「我們這裡的單光子是目前國際上綜合性能最優的,全同性率先達到了99.5%,同時效率比國際上第二名高10倍以上。這是由於我們在2013年創新了一種激發方法,可以大幅度降低噪音。之前國外的技術產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分他們,而我們製造出的光子就像把雙胞胎洗得乾乾淨淨,你就分辨不出他們了。」陸朝陽說。

這些乾淨的、一模一樣的光子產生后,經過光纖被導引到處理器。光子在實驗台上的鏡片之間跑來跑去,但因為一個光子的能量實在太微小了,僅是一個40瓦燈泡一秒鐘放出光的萬億億分之一,所以我們看不到它們。

經過10多個波片,改變了偏振信息的光子,被導入一個關鍵器件——多路分束器,它相當於這台光量子計算機的CPU。在這裡,光子通過光開關分成五路,分別進入光量子網路——包含256個邏輯門的矩陣中,「巫師們」對光子進行操縱。

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」獨具匠心地精心設計、組裝起來的。

「我們設計出的超低損耗量子線路,處於國際領先地位。國際上其他研究組的量子線路效率只有30%,而我們的效率達到99%。」陸朝陽說。

自從這個量子計算機「嬰兒」誕生以來,只做了一件事:玩了一個叫做「玻色取樣」的遊戲。這是科學家專門設計出來讓量子計算機和經典計算機比賽的遊戲。這台量子計算機「嬰兒」計算出結果輸出到經典計算機的屏幕上。

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典計算機了。」而「巫師們」在2016年底已經可以操縱10個糾纏光子,創造了新的世界紀錄。他們計劃今年年底實現操縱大約20個量子比特。

「雖然這台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。就像人類歷史上第一台電子計算機,有幾個屋子那麼大,今天我們看它一文不值,但是它具有非常重要的科學意義,從科學到技術,再到應用,要一步步走來。」陸朝陽說,最初汽車剛發明的時候,性能很不可靠,而且沒有馬車方便舒適。但是隨著技術的發展,汽車終究超過馬車。

尋找通往「羅馬」的路

由於量子計算的巨大潛在價值,歐美各國都投入了大量人力物力,同時,大型高科技公司如谷歌、微軟、IBM等也強勢介入量子計算研究

陸朝陽的導師、著名量子物理學家、中科院院士潘建偉20多年一直致力於對微觀粒子的操控。「我們前面的路非常艱難,從1999年開始逐步實現了五光子、六光子、八光子和十光子糾纏,之前每一步間隔很長,而現在進展越來越快,這意味著量子計算研究就像雨後的春筍,到了爆髮式成長的相變點。」

他說,科學家在多光子糾纏操控方面保持著國際領先地位。操縱的粒子數越多,量子計算的能力就越強。「我們最近能取得進展是因為我們把單光子源中的收集效率、探測效率和光的損耗都壓制到最低。」

由於量子計算的巨大潛在價值,歐美各國都投入了大量人力、物力資源,同時,大型高科技公司如谷歌、微軟、IBM等也強勢介入量子計算研究。如何實現量子計算,科學家們正在嘗試很多種方案,光量子只是其中的一種。

從事超導量子計算研究的科學技術大學教授朱曉波說:「我所知道的各國科學家在花大力氣做的就有七八種路徑,幾個研究團隊走在不同的路徑上,我們都在路上。」

「現在誰也不知道最後哪個技術路線能做成真正有實用價值的量子計算機,大家都在試,很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,我覺得在初期的很多年量子計算機都是很個性的。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,科學技術大學潘建偉團隊在三個方向努力推進:光量子計算、超冷原子量子計算和超導量子計算。

潘建偉說,光量子系統是的傳統優勢。但最快能帶來有實際價值的系統可能是超冷原子。「可能再過一兩年,我們的實驗室就能達到400個原子的相干操縱,這將是巨大的進步。」

而超導量子計算這條技術路徑也是不能忽視的。谷歌和IBM等公司在這一領域做了巨大投入。潘建偉解釋說,這是因為超導量子系統的可集成性和相干性非常好,目前超導量子比特研究被認為是最有可能實現可拓展量子計算機的少數兩到三個系統之一。它的耗電量比目前的經典超級計算機要小得多,幾乎可以忽略不計,所以說超導量子計算堪稱完美。而在這方面,技術成熟度也具有領先優勢。

潘建偉認為,光子、超冷原子和超導這三個系統可以相互借鑒。比如,光系統有些演算法做清楚后,可以應用在其他量子系統。另外超冷原子計算髮展出來的一些電子學技術,對於超導量子計算也起到了很好的推動作用。幾個團隊應協同創新。

他說,目前在量子計算領域面臨非常激烈的競爭。在量子通信領域,已世界領先,但是量子計算的人才與歐美還有一定差距。「在光量子計算方面我們是領先的,在超冷原子方面,我們也成為國際上最好的幾個團隊之一,超導量子計算領域仍需要培養更多人才。」

在潘建偉規劃的量子計算髮展路線圖上,2020年,有望研製出50個左右量子比特的超導量子計算機,超越目前最強大的經典超級計算機,實現「量子稱霸」。

孕育中的另一個「嬰兒」

超導量子計算機是全新的東西,怎麼運轉、怎麼算,很多最頂級的科學家也不清楚。科學家希望今年年底能做出10比特的演示機器

在科學院量子信息和量子科技創新研究院的另一間實驗室,超導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餘地鋪陳開來不同的是,超導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。同樣有制冷機發出鳴叫,不過超導量子計算機需要的環境溫度更低,達到零下273.15攝氏度。

它的主要研製者之一、科學技術大學教授朱曉波說,他與浙江大學王浩華教授以及陸朝陽、潘建偉合作,用超導材料研製出世界上糾纏數目最多(即10比特)的超導量子晶元。

這個指甲蓋大小的晶元就位於圓柱形罐子的底部,巨大的罐子是為了提供晶元工作所需要的極低溫、極低雜訊的環境。

朱曉波認為,目前這套系統還不能稱為一台超導量子計算機。他希望能做出平台和介面,大家都可以去訪問它,給它拋出一個問題,讓它算完了把問題輸出。「量子計算機是全新的東西,怎麼運轉、怎麼算,很多最頂級的科學家也不清楚。我們希望今年年底能做出10比特的演示機器。」

他說,目前研發超導量子計算最困難的是,如何提高量子晶元的操控精度。量子晶元是一個非常脆弱的系統,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、電磁波等造成的環境雜訊非常關鍵。

「而這其中特別難做到的是在提高操控的量子比特數目的同時,還要屏蔽雜訊,因為每一根線都是雜訊源,每增加一個量子比特,就增加了雜訊,這是很矛盾的。這是我們需要研究和攻克的難題。」朱曉波說。

浙江大學教授王浩華介紹,這套系統中除了提供低溫環境的設備是從國外進口,其他設備都是研究團隊自主研發。實驗中需要低溫放大器,歐洲的生產商卻對禁運,科研人員便下決心自己研發出來。

未來人人都能用上量子計算機嗎

量子計算機解決的是原來的超級計算機解決不了的問題,例如破譯密碼、天氣預報、藥物設計等,量子計算還能大力推動人工智慧的研究

潘建偉認為,科學家10年之內可以做到100個量子比特的操縱,這樣就可以研製出在某些方面有實用的量子計算機,它的計算能力可以達到現在全世界計算能力總和的百萬倍。

人類對計算能力的需求是無止境的。歷史上第一台經典計算機是用來做彈道軌跡的計算。IBM的創立者托馬斯·沃森曾說,全世界只需要5台計算機就夠了。但是現在每個人都至少需要一台。

那麼未來人人都會有台量子計算機嗎?

潘建偉預測全世界有幾萬或者幾百萬台量子計算機。「但是我家裡肯定不需要有一台。把手機、筆記本電腦造成低溫,那是很困難的。但是,我可以使用雲計算,通過量子通信把需要計算的任務發送到雲端。」

「傳統計算機已經能算的很好的問題,我們就不需要用量子計算機。我們要解決的是原來的超級計算機解決不了的問題,例如破譯密碼、天氣預報、藥物設計。量子計算還能大力推動人工智慧的研究。」潘建偉說:「以後是否有通用的量子計算機,現在還很難說,也許有,也許沒有。可能將來的量子計算機跟我們現在想象的都不一樣。」