近年來(lái)，量子信息技術(shù)作為現(xiàn)象級(jí)科學(xué)突破，全世界熱議不斷，很多國(guó)家將其明確為重點(diǎn)支持的科研和工業(yè)領(lǐng)域。今年，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給了3位量子力學(xué)方向的科學(xué)家，這無(wú)疑將推動(dòng)量子計(jì)算及其相關(guān)技術(shù)邁入新一輪的全球關(guān)注熱潮。

10月底，谷歌的量子AI團(tuán)隊(duì)及合作者在《自然》（Nature）[1] 期刊上發(fā)表最新研究成果，報(bào)告通過(guò)運(yùn)行非時(shí)間序關(guān)聯(lián)函數(shù)（OTOC, out-of-time-order correlators）算法實(shí)現(xiàn)首個(gè)可驗(yàn)證的量子優(yōu)勢(shì)，谷歌在博客中將之稱(chēng)為“（quantum echoes）”。研究人員在Willow量子芯片上運(yùn)行了量子回聲算法，完成了一項(xiàng)經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)法完成的任務(wù)，且量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度比經(jīng)典計(jì)算機(jī)快13000倍。參與該項(xiàng)目的科學(xué)家之一Michel Devoret正是今年諾貝物理學(xué)獎(jiǎng)的得主之一，同時(shí)也是谷歌量子AI部門(mén)的首席科學(xué)家。他本人評(píng)價(jià)該成果“標(biāo)志著向通用型量子計(jì)算邁出了全新一步。”

▲谷歌的量子回聲登上《自然》封面論文，來(lái)源：自然雜志

誠(chéng)然，量子計(jì)算的科研項(xiàng)目如火如荼地展開(kāi)著，科學(xué)家實(shí)驗(yàn)室的黑板上寫(xiě)滿(mǎn)了全新的量子協(xié)議和算法，頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊持續(xù)發(fā)表有關(guān)量子計(jì)算和技術(shù)的新論文。但與此同時(shí)，全球量子計(jì)算大競(jìng)賽正面臨著一些新的問(wèn)題。

最近，今年另一諾獎(jiǎng)得主John Martinis在《金融時(shí)報(bào)》[2] （Financial Times）上發(fā)表了題為“Quantum computing needs its own industrial revolution”的文章，一針見(jiàn)血指出關(guān)鍵所在：一方面，新協(xié)議和算法不斷涌現(xiàn)，另一方面，量子計(jì)算機(jī)作為硬件本身卻“撞上了南墻”，陷入了工程瓶頸。

多少個(gè)量子比特才可以？

眾所周知，量子計(jì)算機(jī)的基本單位是“量子比特”（qubit），不同于經(jīng)典計(jì)算機(jī)使用的經(jīng)典比特，前者可同時(shí)具有0、1及其線性疊加態(tài)。如果能夠研發(fā)出具有更多量子比特的量子計(jì)算機(jī)，那么執(zhí)行任務(wù)的速度就會(huì)大幅提升，遠(yuǎn)超經(jīng)典計(jì)算機(jī)，效果便如谷歌團(tuán)隊(duì)研究所描述一般。

▲來(lái)源：CB Insights[3]

然而，不同于經(jīng)典比特的穩(wěn)定性，量子比特對(duì)環(huán)境極其敏感，例如溫度、噪聲等，極易發(fā)生退相干現(xiàn)象，存儲(chǔ)的量子信息會(huì)瞬間丟失。要克服這一核心物理問(wèn)題，學(xué)界和業(yè)界都致力于研發(fā)“容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)”。要實(shí)現(xiàn)量子容錯(cuò)（quantum error correction），需要用至少1,000 個(gè)物理量子比特來(lái)組成一個(gè)邏輯量子比特[4] 。在步入多個(gè)邏輯量子比特階段之后，其計(jì)算能力和可靠性將顯著提升，有望在藥物與化學(xué)研發(fā)、復(fù)雜金融模型模擬等方向展現(xiàn)出更大的應(yīng)用潛力。

因此，Martinis明確指出 ，要最終實(shí)現(xiàn)通用型量子計(jì)算機(jī)，具體來(lái)說(shuō)，一方面，要像經(jīng)典計(jì)算機(jī)一樣通用，另一方面，遵循量子力學(xué)，采用至少100萬(wàn)個(gè)量子比特，使其處理能力呈指數(shù)級(jí)增強(qiáng)，一瞬間便可執(zhí)行海量計(jì)算。那么相應(yīng)地，量子計(jì)算機(jī)制造技術(shù)也須經(jīng)歷指數(shù)級(jí)飛躍。

那么，現(xiàn)實(shí)情況又如何呢？

以超導(dǎo)量子計(jì)算為例，這是當(dāng)前最為成熟的主流方向之一，包括谷歌、IBM等科技企業(yè)巨頭以及我國(guó)中科大等科研團(tuán)隊(duì)在內(nèi)，都將其作為重點(diǎn)方向。

谷歌2019年以包含53個(gè)量子比特的“懸鈴木”（Sycamore）首次展示了量子優(yōu)越性[5]，2024年推出了包含105個(gè)量子比特的 “Willow”量子芯片[6] ，也就說(shuō)5年內(nèi)數(shù)量?jī)H翻了一番。Martinis擔(dān)憂地指出，照這個(gè)速度，要達(dá)到100萬(wàn)個(gè)量子比特的真正里程碑，可能漫漫無(wú)期。

英國(guó)薩塞克斯大學(xué)的量子技術(shù)教授Winfried Hensinger在接受《衛(wèi)報(bào)》[7] 采訪時(shí)也表示：“谷歌已經(jīng)證明了量子優(yōu)越性，但要達(dá)到數(shù)百萬(wàn)個(gè)量子比特的量子計(jì)算，現(xiàn)有的量子硬件技術(shù)仍難實(shí)現(xiàn)。”

量子計(jì)算擴(kuò)展“悖論”

在Martinis看來(lái)，阻礙從100個(gè)到100萬(wàn)個(gè)量子比特?cái)U(kuò)展之路的核心障礙在于當(dāng)今量子系統(tǒng)構(gòu)造本身：正如我們所見(jiàn)，現(xiàn)在量子系統(tǒng)內(nèi)線路錯(cuò)綜復(fù)雜，各種元件鱗次櫛比，如同茂密叢林一般，而所有這些設(shè)計(jì)不過(guò)是用來(lái)冷卻并控制安置在低溫恒溫器底部的那小小的一片量子芯片。量子計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)研發(fā)已進(jìn)入這么一個(gè)階段：布線的復(fù)雜性完全壓制量子器件本身。

而隨著量子比特?cái)?shù)量的增加，量子計(jì)算擴(kuò)展將迎來(lái)一個(gè)“悖論“：復(fù)雜性已經(jīng)不在于量子芯片本身，而在于支持芯片運(yùn)行的外部控制系統(tǒng)。

首先，超導(dǎo)量子芯片和半導(dǎo)體量子芯片對(duì)運(yùn)行環(huán)境最基本的要求均為接近絕對(duì)零度的極低溫環(huán)境，因?yàn)橐种骗h(huán)境噪聲，就必須使量子芯片工作在遠(yuǎn)低于其能級(jí)對(duì)應(yīng)的熱噪聲溫度。而使用3He/4He混合氣實(shí)現(xiàn)稀釋制冷的稀釋制冷機(jī)能夠提供量子芯片所需的工作溫度和環(huán)境，以2018年IBM展示的“包含50個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)原型機(jī)”[8] 為例（見(jiàn)下圖），外層管線如面條般根根分明，數(shù)量龐大。此外，量子計(jì)算研究人員還要花費(fèi)大量精力設(shè)計(jì)、改造、優(yōu)化稀釋制冷機(jī)內(nèi)部的控制線路與屏蔽裝置，以全面地抑制可能造成量子芯片性能下降的噪聲因素。

▲IBM的稀釋制冷機(jī)，用于容納50位量子芯片

▲谷歌的量子計(jì)算機(jī)，來(lái)源：谷歌

讓我們對(duì)比一下18年IBM的原型機(jī)與25年的谷歌原型機(jī)，便可一目了然可，若按此設(shè)計(jì)思路，隨著量子比特?cái)?shù)量的增加，用于冷卻、控制和讀取的外部 “管道”可能將呈幾何級(jí)或超線性增長(zhǎng)，最終演變成“意大利面條式層層密布的控制系統(tǒng)”。而外部連線導(dǎo)致的散熱、空間和噪聲問(wèn)題，使得在低溫恒溫器中物理上無(wú)法容納百萬(wàn)級(jí)別的控制線路。

其次，目前每個(gè)量子比特都需要一根導(dǎo)線連接到控制電子設(shè)備，對(duì)于運(yùn)行數(shù)量不高的量子比特來(lái)說(shuō)，該方法尚可行，但若要實(shí)現(xiàn)通用型量子計(jì)算，面對(duì)上百萬(wàn)個(gè)量子比特，繼續(xù)如此連接將變得不切實(shí)際，就好比將手機(jī)1200萬(wàn)像素?cái)z像頭上的每一個(gè)像素單獨(dú)連接到獨(dú)立電路上[9] 。

量子技術(shù)需要一場(chǎng)制造業(yè)革命

有鑒于此，Martinis發(fā)起了量子技術(shù)制造工業(yè)革命的號(hào)召，提出了一個(gè)大膽愿景：由單一的集成芯片取代復(fù)雜如意大利面條式的控制系統(tǒng)。

基于低溫互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）技術(shù)的低溫集成電路便是核心思路，可在極低溫度下執(zhí)行超導(dǎo)量子比特要求的計(jì)算任務(wù)。CMOS技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)微處理器采用的技術(shù)相同，使用CMOS技術(shù)可制造包含數(shù)十億個(gè)電子元件的電路，正是大規(guī)模量子計(jì)算所需。如同上世紀(jì)60年代[10] ，當(dāng)時(shí)的計(jì)算機(jī)還大得要占據(jù)整個(gè)房間，但70年代開(kāi)發(fā)出的大規(guī)模集成技術(shù)催生了由數(shù)千個(gè)元件組成的微型芯片，如第一款微處理器英特爾的4位4004芯片，從而開(kāi)啟了微處理器革命。隨著微處理器電路密度的不斷提升，如今同樣的芯片可容納數(shù)百萬(wàn)個(gè)元件，迎來(lái)了智能設(shè)備的大放異彩。

另外，還需要拋棄目前量子計(jì)算芯片開(kāi)發(fā)所依賴(lài)的已有60年歷史的剝離制造工業(yè)，在Martinis看來(lái)，這種工藝過(guò)時(shí)且低效，還不夠干凈，也無(wú)法進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展性。量子計(jì)算必須采用最先進(jìn)的芯片制造技術(shù)，即與制造現(xiàn)代智能手機(jī)中數(shù)十億個(gè)晶體管相同的技術(shù)。

Martinis的最終目標(biāo)和所有量子計(jì)算領(lǐng)域的科學(xué)家一樣，實(shí)現(xiàn)“每個(gè)系統(tǒng)數(shù)百萬(wàn)個(gè)量子比特”。由于單片晶圓尺寸、信號(hào)以及低溫環(huán)境下熱耗散等種種限制，單片晶圓可能難以承載如此巨大數(shù)量的量子比特，但可以通過(guò)模塊化和互連來(lái)解決?！拔覀兛梢栽趩蝹€(gè)純凈的晶圓上實(shí)現(xiàn)2萬(wàn)個(gè)高保真量子比特，隨后將若干晶圓相互連接，形成一個(gè)包含上百萬(wàn)個(gè)量子比特的完整系統(tǒng)。”Martinisi如此寫(xiě)道。

好消息在今年下半年不斷傳來(lái)，首先是9月25日，澳大利亞新南威爾士大學(xué)的量子技術(shù)初創(chuàng)公司Diraq與歐洲微電子研究中心（imec）合作在《自然》[11,12] 期刊上發(fā)表論文，報(bào)告在300毫米晶圓上制造的Diraq雙量子比特器件在邏輯操作中實(shí)現(xiàn)了超過(guò)99%的保真度。研究所用的硅基量子芯片可依托現(xiàn)有CMOS工藝進(jìn)行大規(guī)模制造，在降低成本的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高保真度，為研發(fā)出數(shù)百萬(wàn)個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)開(kāi)辟新途徑。

▲Diraq 首席執(zhí)行官 Andrew Dzurak 教授手持一塊 300 毫米硅晶圓，該晶圓由 imec 制造。來(lái)源：Diraq

僅在一個(gè)多月后，IBM [13] 在11月量子開(kāi)發(fā)者大會(huì)上公布了兩款全新量子處理器：IBM Quantum Nighthawk（夜鷹）和IBM Quantum Loon，前者專(zhuān)為量子優(yōu)勢(shì)而打造，后者則可實(shí)現(xiàn)高效的量子糾錯(cuò)解碼，速度比目前領(lǐng)先方法快10倍。與此同時(shí)，IBM也轉(zhuǎn)向300毫米晶圓制造量子芯片，不僅將開(kāi)發(fā)速度提高了一倍，還將芯片的物理復(fù)雜性提高了10倍，以實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)糾錯(cuò)路線圖。

▲IBM研究員手持300mm IBM Quantum Nighthawk晶圓，來(lái)源：IBM

Martinis在文末表示，發(fā)展至今，通往可擴(kuò)展量子計(jì)算機(jī)的道路需要的已不僅僅是有高影響力的學(xué)術(shù)論文，更需要高科技工業(yè)制造來(lái)鋪就。面對(duì)“理論先行、技術(shù)滯后”的局面，有必要進(jìn)一步加強(qiáng)工業(yè)制造能力建設(shè)。百年來(lái)，感謝一代代科學(xué)家在基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域的不斷耕耘，我們已經(jīng)掌握了諸多物理學(xué)知識(shí)和原理；接下來(lái)得讓工程師和技術(shù)人員扛起發(fā)展的大旗，發(fā)揮所長(zhǎng)，快速實(shí)現(xiàn)突破。否則，量子計(jì)算的潛力將被永遠(yuǎn)束縛在錯(cuò)綜復(fù)雜的布線“叢林”之中。

參考資料：

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原文鏈接：https://www.ft.com/content/de55d987-13bb-4821-9e72-d7a066e48ccd

編譯：金燁

審校：王波濤