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秦燕玲
2025-01-22 21:48
在科技日新月異的今天，量子計算這一前沿領域每隔一段時間就會傳來令人振奮的消息。近期，谷歌公司公布了一款名為Willow的新量子芯片，它擁有高達105個“量子比特”，這一成就再次刷新了人們對量子計算的認知。
據(jù)悉，這款量子計算機能夠在短短五分鐘內解決一個計算問題，而如果使用傳統(tǒng)計算機，則需要花費比宇宙歷史還要長的時間。幾乎與此同時，由中國科學家研制的同樣擁有105個量子比特的“祖沖之三號”量子計算機也在學術預發(fā)布平臺arXiv上發(fā)表了研究成果。中美兩國在量子計算領域的競爭，呈現(xiàn)出你追我趕的激烈態(tài)勢。
盡管量子計算機距離真正實用化還有很長的路要走，但無數(shù)科學家已經(jīng)投身其中，致力于讓這一夢想成為現(xiàn)實。其中，中國科學院院士、深圳國際量子研究院院長、南方科技大學講席教授俞大鵬便是其中的佼佼者。他早年研究納米技術，近年來則領導成立了深圳國際量子研究院，帶領眾多青年才俊在量子計算領域取得了顯著成果。
近日，證券時報記者對俞大鵬院士進行了專訪，就量子計算的相關問題進行了深入探討。俞教授感嘆，量子計算機是人類挑戰(zhàn)操控微觀世界極限能力的世紀系統(tǒng)工程，其復雜性和難度超乎想象。
微觀世界
量子計算，這一建立在量子力學基礎上的新興領域，對于大多數(shù)人來說或許還顯得神秘莫測。其實，量子理論是由一系列杰出的物理學家在20世紀初共同奠定的。德國物理學家普朗克在1900年首次提出了量子的概念，隨后愛因斯坦、玻爾、薛定諤、狄拉克等人紛紛加入，共同揭示了量子現(xiàn)象的奧秘。在20世紀的前半期，一個完整的量子力學理論框架逐漸建立起來。
物質是由不可分割的原子構成的。但在比原子還小的微觀世界里，存在著電子、光子、夸克和膠子等基本粒子。這些粒子的存在和運動方式讓物理學家們驚嘆不已。他們通過一系列的觀察和推算，逐漸揭示出了這些微觀粒子的運動規(guī)律?？茖W界將納米尺度（即原子的大?。┮韵碌奈⒂^世界所遵循的力學原理稱為量子力學。
量子運動具有非連續(xù)性、不可分割性，以及疊加和糾纏等特性。其中，疊加態(tài)是指一個量子系統(tǒng)可以同時處于多個狀態(tài)之中，而糾纏態(tài)則是指兩個或多個量子系統(tǒng)之間存在一種神秘的關聯(lián)，使得它們的狀態(tài)無法被單獨描述。這些特性使得量子世界充滿了奇妙和神秘。
對于量子狀態(tài)的最著名描述來自于薛定諤的貓實驗。在這個實驗中，一只貓可以同時處于生與死的疊加狀態(tài)。但當我們打開籠子觀察時，貓就會“坍縮”到生或者死這一種確定的狀態(tài)。這種奇特的現(xiàn)象讓人難以理解，甚至像愛因斯坦這樣的科學巨匠也感到費解。他曾經(jīng)說過：“上帝為什么會擲骰子呢？”這句話表達了他對量子世界不確定性的困惑。
薛定諤本人在量子力學上取得了卓越的成就，但他同時也是一個懷疑者。他提出的“薛定諤的貓”這一例子，原本是對量子現(xiàn)象的一種質疑和反思，但后來卻成為了普通人了解量子理論的一個重要通道。
這些偉大的物理學家們自幼學習的是經(jīng)典物理學，他們認為世界是可知的、確定的、可描述的。然而，當他們踏入微觀世界的大門時，卻發(fā)現(xiàn)了一個全新的、充滿挑戰(zhàn)和未知的世界。他們不斷地解釋各種現(xiàn)象，提出各種天才的公式和理論，不斷地顛覆自己的認知。
正是在這樣的背景下，量子計算機的概念應運而生。1982年，理查德·費曼首次提出了量子計算機的概念。他認為，量子計算機可以通過模擬量子力學現(xiàn)象來解決某些經(jīng)典計算機難以處理的問題。這一想法為計算機科學的發(fā)展開辟了一條全新的道路。
對比
現(xiàn)行計算機都是基于電流的開關來進行運算的。通過一開一關的組合，計算機可以實現(xiàn)復雜的運算功能。這種運算方式可以用簡單的代碼簡化為1和0的組合，原理簡單易懂。
然而，量子計算機則完全不同。它以量子比特為基本運算單元。與經(jīng)典比特不同，量子比特利用的是量子世界的疊加規(guī)律。這意味著一個量子比特可以同時處于0和1之間的任何兩個狀態(tài)的疊加態(tài)中，只是概率大小不同而已。這種疊加態(tài)的特性使得量子計算機能夠同時處理多個任務，大大提高了運算效率。
為了更直觀地解釋量子計算的威力，俞大鵬院士喜歡用迷宮來作比喻。他說：“如果我們派100個人走一個特別復雜的迷宮，每個人相當于一個經(jīng)典比特。這100個人不允許帶手機交流，只能試錯前進。最后這100個人全部從出口出來，這相當于他們各自獨立完成了自己的任務，互相之間沒有糾纏和干擾。但如果我們用量子計算機派出100個量子比特去走這個迷宮呢？它們會構筑一個2的100次方的線波特態(tài)空間。這相當于孫悟空拔出一根毫毛變出了2的100次方個猴子，每個猴子都能同時去探路。這些猴子之間互相糾纏、相干相消，走通的地方就消失了，走不通的地方則省去了很多計算的過程。這就是量子計算機無與倫比的計算模式優(yōu)勢。”
可以看出，經(jīng)典計算機是通過串聯(lián)的方式逐個解決問題的，而量子計算機則是通過并聯(lián)的方式同時處理多個問題的。這種差異使得量子計算機在處理某些特定問題時具有巨大的優(yōu)勢。
算法與實現(xiàn)
量子計算的算法是其核心所在。科學家們構建了許多工具來計算和描述量子的狀態(tài)。比如將量子的狀態(tài)想象為一個布洛赫球，使用傅里葉變換算法來計算其某個狀態(tài)的概率。這些算法為量子計算提供了強大的理論基礎。
在量子計算中，常見的量子門有Hadamard門、CNOT門和Pauli-X門等。這些量子門相當于經(jīng)典計算機中的邏輯門，用于對量子比特進行操作和運算。通過組合這些量子門，科學家們可以構建出各種復雜的量子算法來解決實際問題。
其中，Shor算法是量子計算領域的一個重要突破。它由科學家彼得·肖爾在1994年提出，利用量子疊加態(tài)進行大數(shù)分解。這一算法能夠在多項式時間內完成經(jīng)典算法需要指數(shù)時間才能完成的任務。隨后，肖爾又在1995年提出了量子糾錯方法，解決了量子觀察引起的坍縮問題，為量子計算的實現(xiàn)掃清了巨大障礙。在此之前，量子計算在很大程度上被視為一種思想實驗；而此后，科學家們開始認真考慮量子計算機實現(xiàn)的可能性。
此外，美國計算機科學家格羅弗在1996年提出了量子搜索算法（Grover算法）。該算法利用量子疊加態(tài)進行快速搜索，能夠在平方根的時間內找到目標項。這一算法的提出進一步證明了量子計算在處理特定問題時的巨大優(yōu)勢。
隨著量子計算算法的不斷突破和進步，人們開始相信實際構建一臺量子計算機在原理上是可行的。于是，實驗物理學家和工程師們正式登上了歷史舞臺。他們開始嘗試各種方法來實現(xiàn)量子計算機。
目前，量子計算機的技術路線有多種，其中超導量子計算是主流之一。1999年，日本NEC公司首次展示了超導電路控制量子比特的方法。
全球范圍內走超導路線的量子計算機占比高達42%。除了超導量子計算外，還有離子阱、光量子、中性原子、硅自旋以及拓撲技術路線等多種選擇。其中，離子阱路線占比38%，也是非常重要的一個方向。然而，每種技術路線都有其獨特的優(yōu)勢和局限性。例如，使用光鑷困禁中性原子或使用電磁陷阱困禁離子的方法雖然相干時間長，但可擴展性差。
超導量子比特芯片加工工藝與半導體行業(yè)微納加工工藝相似，具有器件結構尺寸較大、成品率高、耦合容易且形式靈活多樣、可擴展性高以及操控速度快等優(yōu)勢。這些優(yōu)勢使得超導量子計算成為最有可能實現(xiàn)通用量子計算的路線之一。
設備
科學家們只有能對量子精確控制，使其進入并維持在量子態(tài)，才有可能進行高效計算操作。然而，量子控制的難度之大，遠非傳統(tǒng)技術所能比擬。盡管早在1999年，超導量子計算機的概念就已提出，但將其從理論轉化為實際工程應用，仍需跨越重重難關。
俞大鵬院士上世紀90年代便對量子計算產生濃厚興趣，深知這一領域的門檻之高。“量子計算，無疑是科學界的貴族領域?！彼寡?，“它不僅需要高精尖的設備支持，更需投入巨額資金。當時，國內具備這樣條件的單位屈指可數(shù)，北大、清華等少數(shù)名校方才有此實力?！绷孔佑嬎愕暮诵?，在于對量子態(tài)的精準操控，而非簡單的原子層面操作。因此，高精尖的設備成為了不可或缺的基石。
在北大深耕納米材料研究的二十年間，俞大鵬院士逐漸掌握了量子調控的技藝。納米結構中的量子效應，為他的研究提供了寶貴的經(jīng)驗。通過對納米線施加電、磁、熱、光等多種外部刺激，他深入探究了量子態(tài)的性質及其調控規(guī)律。這些技術，不僅為納米材料的研究開辟了新徑，更為后續(xù)的量子計算研究奠定了堅實基礎。
2016年，俞大鵬院士攜手南方科技大學與深圳當?shù)卣?，共同?chuàng)立了深圳量子研究院。在歷經(jīng)多次選址后，研究院最終在福田落戶，擁有了一萬多平方米的辦公空間。這一舉措，不僅為量子計算的研究提供了全新的平臺，更標志著我國在量子計算領域邁出了堅實的一步。
2018年，面對量子計算可能遭遇的技術封鎖，俞大鵬院士展現(xiàn)出了前瞻性的戰(zhàn)略眼光。他開始著手布局支撐我國量子計算的根技術和核心工具，其中電子束光刻機尤為關鍵。作為加工量子芯片和量子器件的核心設備，電子束光刻機的自主研發(fā)對于我國量子計算的發(fā)展至關重要。在廣東省科技廳的大力支持下，深圳國際量子研究院成功實現(xiàn)了電子束光刻機的國產替代和自主可控，為國內多家科研機構提供了緊急支持，實現(xiàn)了從0到1的突破。
2019年，深圳國際量子研究院又踏上了新的征程——研發(fā)制冷機。對于超導量子計算而言，低溫環(huán)境是維持量子態(tài)穩(wěn)定的關鍵。稀釋制冷機能夠制造出接近絕對零度的極端低溫環(huán)境，為量子計算提供了必要的保障。目前，該制冷機已實現(xiàn)小批量生產，并取得了技術上的重大突破。
如今，深圳國際量子研究院已實現(xiàn)了設備的自主可控和全鏈條自主加工，不僅提升了我國在量子計算領域的國際競爭力，更為南方科技大學的物理學科注入了新的活力。該學科在研究院的支撐下，躋身全國前列。
深圳國際量子研究院
在深圳國際量子研究院的實驗室里，可以看到科學家們?yōu)榱孔佑嬎闼龅母鞣N嘗試和努力。實驗室里非常安靜，工作人員在靜靜地工作著，機器也幾乎沒有發(fā)出任何噪音。這里的研究范圍非常廣泛，包括超導量子計算、離子阱計算等多個方向。實驗室里擺放著各種儀器和設備，工作人員不僅要操作這些儀器進行實驗，還要根據(jù)實際情況對儀器進行改造和優(yōu)化。
記者在現(xiàn)場看到了一臺超導量子計算機。最顯眼的部分是稀釋制冷機，它扎滿了銅管，從上到下逐漸縮小，逐層把溫度降低到接近絕對零度。而超導量子芯片作為核心零部件，則位于稀釋制冷機的最下部，顯得非常不起眼。
這臺機器還需要配備室溫操控系統(tǒng)來讀取并指令量子比特進行工作。室溫操控系統(tǒng)通過低溫信號傳輸系統(tǒng)與量子比特進行連接和通信。此外，還需要低噪音和磁場屏蔽的設備來確保量子比特不會受到外界環(huán)境的干擾和破壞。因為熱和光等噪音會導致量子退相干現(xiàn)象的發(fā)生，使得量子比特失去其量子特性（疊加和糾纏）以及存儲的信息。
當然，這臺機器還需要接入到經(jīng)典計算機中進行控制和管理。因為盡管量子計算機在處理某些特定問題時具有巨大優(yōu)勢，但它仍然需要經(jīng)典計算機來輔助完成一些基礎性的工作和任務。
深圳國際量子研究院與著名科學家潘建偉團隊共同證明了薛定諤波動方程中負數(shù)根號的重要性，這一發(fā)現(xiàn)解決了長達一個多世紀的學術爭議。
量子計算作為前沿科技領域，其運算過程與傳統(tǒng)計算機存在顯著差異。由于量子態(tài)的不穩(wěn)定性，從命令發(fā)布到執(zhí)行均難以保證絕對準確，因此提升量子計算的糾錯能力顯得尤為重要。針對這一難題，深圳國際量子研究院超導量子計算實驗室的助理研究員徐源課題組，攜手福州大學教授鄭仕標及清華大學副教授孫麓巖等專家，通過實時重復的量子糾錯技術，成功延長了量子信息的存儲時間。這一突破性成果已在《自然》網(wǎng)站上發(fā)表，引起了國際學術界的廣泛關注。
今年2月29日，國家自然科學基金委員會揭曉了2023年度“中國科學十大進展”，深圳國際量子研究院的上述量子糾錯研究成果入選，被譽為“容錯量子計算領域的一個重大里程碑”。
據(jù)俞大鵬院士介紹，量子計算機的錯誤率遠高于經(jīng)典計算機，達到了13個量級的差異。因此，如果不進行糾錯處理，量子計算機將難以發(fā)揮其實用價值。然而，傳統(tǒng)的量子糾錯方法往往會引入新的錯誤，導致糾錯效果適得其反。深圳國際量子研究院的研究團隊通過創(chuàng)新技術，成功打破了這一僵局，實現(xiàn)了量子糾錯的增益和效益，即“越糾越對”的良性循環(huán)。
在谷歌公布其最新量子計算機實現(xiàn)糾錯盈虧點的消息之前，中國科學家已領先一步實現(xiàn)了這一關鍵性突破。
挑戰(zhàn)
目前，量子計算機仍處于量子霸權或量子優(yōu)越性階段，即雖能證明在某些特定問題上比傳統(tǒng)計算機更快，但尚未實現(xiàn)實際應用價值。
俞大鵬院士認為，量子計算機的研發(fā)是一項世紀系統(tǒng)工程，挑戰(zhàn)著人類操控微觀世界的極限能力。目前，量子計算領域存在多種平臺和技術路線，但尚無定論哪種將最終勝出。每一條技術路線都存在著潛在的缺陷和未知風險。前幾年，曾有科技團隊在權威雜志上發(fā)表文章，聲稱突破了拓撲計算的短板，但最終因無法復現(xiàn)實驗結果而撤稿。
經(jīng)典計算機的發(fā)展歷程，為量子計算提供了有益的借鑒。從笨拙到靈敏，經(jīng)典計算機的發(fā)展離不開一代代科學家的不懈努力和晶體管的發(fā)現(xiàn)。然而，在量子計算領域，科學家們仍在探索合適的材料和方法。盡管已經(jīng)取得了一些進展，但未來仍充滿不確定性。那些看似停滯不前的技術路線，也可能因某個突發(fā)的發(fā)明而迎來突飛猛進的發(fā)展；而那些尚未被發(fā)現(xiàn)的路徑，或許正隱藏著通往量子計算終極目標的鑰匙。
科學家正在積極探索，即使某些嘗試最終證明是此路不通，也是通往成功之路上不可或缺的寶貴經(jīng)驗。谷歌量子AI實驗室負責人哈特穆特·內文曾預測，能夠實際應用于商業(yè)場景的量子計算機在2030年之前可能不會出現(xiàn)。但科學家們相信，只要堅持不懈地努力下去，總有一天能夠揭開量子計算的神秘面紗。
