量子計算的“百家爭鳴”時代

金賢敏（上海交通大學物理與天文學院研究員，博導）

量子計算的“百家爭鳴”時代

金賢敏（上海交通大學物理與天文學院研究員，博導）

每當新思潮、新科技剛剛出現在大眾視野時，探索精神永遠驅動著人們去深入認識未知的事物。多樣的途徑、豐富的方法不斷涌現，都能在這自由又朝氣蓬勃的叢林里獲得自己的領地。春秋諸子百家時代、歐洲文藝復興時期是好的例證，計算機初期發展時代亦是如此。在硅谷參觀“計算機歷史博物館”時，看到20世紀50～70年代第一代計算機的研發如火如荼，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似雨后春筍。

時光輪轉，這種“馮-諾伊曼”計算機走進了千家萬戶，而現在勢不可擋地將要開啟一個新的量子計算機時代。數十年前就有了費曼關于量子計算的構想，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、醫療及生命科學等前沿科學對大數據處理的需求急速提升，這些都使得量子計算機從書本走進現實變得迫在眉睫。

計算機業界巨頭敏銳洞察到了這株將要萌出的春芽，紛紛舉起迎戰大旗。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，采用的超導體物理體系具有很好的可擴展性，目前約1 000量子比特的量子退火器超導芯片已能夠商業化，并在特定的優化任務中表現優越，只是這種算法是否合理利用量子效應仍受質疑。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用前景。相比谷歌的先鋒行動，IBM這家計算機百年老店也在新戰役中開打得及時有力，近期發布全球首個商業用途量子計算云服務IBM Q，依靠一臺含有5個超導環路的5量子比特量子計算機進行數據處理。IBM志在實現真正的通用量子計算，但目前受限于量子比特數擴展，與能夠展示量子優越性的50個量子比特還有一定距離。在最近的性能測評中，IBM的超導量子計算機準確率明顯低于馬里蘭大學ionQ實驗室的5量子比特離子阱量子計算機，不過在運算速度上，前者比后者快近3個數量級。還有微軟，前瞻性地提出基于馬約拉納費米子的“拓撲量子計算”戰略，馬約拉納費米子的反粒子就是它本身，因此可能構建比其他量子體系更穩定的量子態，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。阿里巴巴聯合中國科學院設立量子計算中心，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勁的實力。目前可操控光量子數已達到10，光量子數逐年增長的趨勢恰似光量子計算“摩爾定律”。而宏觀光學固有的高損耗、操控精度和穩定性等技術難題已成為光量子系統擴展的原理性瓶頸。我們目前在上海交通大學正致力于量子信息技術芯片化和集成化研究，通過飛秒激光直寫技術，就像3D打印一樣制備可集成大規模光子線路的光量子芯片，構建尺度和復雜度上都達到全新水平的光量子系統，推動新物理的探索和大規模光量子計算機的研制。在20世紀40～70年代計算機技術初步發展時期，基本上只有歐美數國活躍的身影；在量子計算這新一輪科技浪潮中，中國已經具備一定的實力和研究成果并在光量子計算方面略有領先優勢。中國正以積極主動、昂然向上的姿態參與到前沿科學的國際競爭合作中，作為當代的中國科學工作者，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較遠的拓撲通用量子計算以及核磁共振、金剛石色心等各種其他途徑，都與工業推廣應用存在一定的距離。但是量子計算那充滿神秘而又燦爛美好的愿景，必“引無數英雄盡折腰”。即便路途布滿荊棘，探索精神永不止息！