中國量子計算機"嬰兒"：製造上帝都分不出的光子

位於上海的中科院量子信息和量子科技創新研究院的一間實驗室內，三平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「啾啾」聲。這是近20位科研工作者經過4年多孕育出的中國量子計算機「嬰兒」，它也是世界上首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

這台初具雛形的光量子計算機的研製者之一、中國科學技術大學年僅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」。

中國量子計算機發展路線圖。 受訪者供圖

「世界上找不到兩片一模一樣的樹葉，但我們可以製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，進而糾纏，否則兩個光子誰都不理誰。」陸朝陽說。

上帝也無法區分的光子產生於一個單光子源。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。

「我們這裡的單光子目前在國際上綜合性能最優，全同性比率達到99.5%，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。

這些光子在實驗台上的鏡片間跑來跑去，經過10多個波片，改變了偏振信息後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，「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」獨具匠心地設計、組裝起來的。

「我們設計出的超低損耗量子線路效率達到99%，而國際上其他研究組的量子線路效率只有30%。」陸朝陽說。

陸朝陽和學生們討論光量子計算機的運行情況。 新華社 圖

這個「嬰兒」誕生以來，只做了一件事：玩了一個叫「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。

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。」而「巫師們」在2016年底已可以操縱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。人類歷史上第一台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，最初汽車剛發明時，性能很不可靠，還沒有馬車方便舒適。但隨著技術的發展，汽車終究超過馬車。

尋找通往「羅馬」的路

陸朝陽的導師、中科院院士潘建偉20多年一直致力於對微觀粒子的操控。他的團隊近期取得量子計算方面的突破得益於單光子源和超低損耗量子線路方面的進展。「我們早先的路非常艱難，而現在進展越來越快，這意味著量子計算研究就像雨後春筍，到了爆髮式成長的節點。」

由於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。如何實現量子計算，科學家們正在嘗試很多種方案，光量子只是其中一種。

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

「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，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，潘建偉團隊在三個方向努力推進：光量子、超冷原子和超導。

潘建偉說，光量子系統是中國的傳統優勢。但最快能帶來實際價值的可能是超冷原子系統。「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。」

量子計算機研究實驗裝置。 受訪者供圖

而超導量子計算這條技術路徑也不能忽視。谷歌、IBM等公司在這一領域做了巨大投入。「這是因為超導量子系統的可集成性和相干性非常好，它的耗電量比經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。」潘建偉說，不同的研究團隊應協同創新、相互借鑒。

潘建偉預計，2020年中國有望研製出50個左右量子比特的超導量子計算機，超越目前最強大的超級計算機，實現「量子稱霸」。

孕育中的另一個「嬰兒」

在量子信息和量子科技創新研究院另一間實驗室，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。

作為它的主要研製者之一，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，可以讓人去訪問它。「量子計算機是全新的，怎麼運算，很多最頂級科學家也不清楚。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晶元的操控精度。量子晶元是非常脆弱的系統，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。」

潘建偉認為，中國科學家10年內可以做到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價值的量子計算機，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。

朱曉波介紹超導量子計算機晶元。 新華社 圖

人類對計算能力的需求永無止境。第一台經典計算機剛問世時，IBM的創始人托馬斯·沃森曾說，全世界只需要5台計算機就夠了。但現在每人都至少需要一台。

那麼未來人人都會有量子計算機嗎？

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很困難。但我可以使用雲計算，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。我們要解決的是經典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，可能將來的量子計算機跟我們現在想像的都不一樣。」

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