NTT Research的前身是世界500強(qiáng)企業(yè)、日本最大的電信服務(wù)提供商日本電報(bào)電話株式會(huì)社 (Nippon Telegraph & Telephone，NTT）的下屬研究機(jī)構(gòu)，NTT物性科學(xué)基礎(chǔ)研究所，于2019年7月正式獨(dú)立出來(lái)，在硅谷設(shè)立總部，由三個(gè)實(shí)驗(yàn)室組成：物理和信息科學(xué)實(shí)驗(yàn)室（PHI Lab），密碼學(xué)和信息安全實(shí)驗(yàn)室（CIS Lab）以及醫(yī)學(xué)和健康信息學(xué)實(shí)驗(yàn)室（MEI Lab）。其中，物理和信息科學(xué)實(shí)驗(yàn)室專注于基于量子物理學(xué)、腦科學(xué)和光學(xué)的量子計(jì)算的相關(guān)研究。

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電信服務(wù)商與量子計(jì)算機(jī)，這樣的組合聽起來(lái)不像科技大廠谷歌、制造業(yè)龍頭霍尼韋爾、IT行業(yè)巨擘IBM、獨(dú)角獸初創(chuàng)公司D-Wave等入局量子計(jì)算領(lǐng)域顯得那么順理成章，反倒會(huì)讓人不禁心生好奇，NTT緣何會(huì)踏足量子計(jì)算領(lǐng)域？他們的主營(yíng)業(yè)務(wù)又對(duì)其量子計(jì)算的研發(fā)產(chǎn)生了哪些深遠(yuǎn)影響呢？

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這一切，可能要從上個(gè)世紀(jì)說(shuō)起。1960年代，線電、微波的頻率已不能滿足增長(zhǎng)中的電視、電話對(duì)帶寬的要求，因此電信工程師們迫切地想找一種更高的頻率來(lái)承載信號(hào)，世界上第一臺(tái)激光器就此在美國(guó)誕生。

但人們很快發(fā)現(xiàn)激光通信在空氣中傳播會(huì)受到各種干擾，于是工程師們把目光轉(zhuǎn)移到光纖上。經(jīng)過(guò)近10年的不懈探索，尤其是在1966年，英藉華人工程師高錕（K.C.Kao）論證了光導(dǎo)纖維傳輸信息的可行性后，光纖通信即刻成為全球研發(fā)的熱點(diǎn)，全球的科學(xué)家、工程師全力以赴。43年后，高錕也因此發(fā)現(xiàn)榮獲2009年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

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在日本光纖研發(fā)大軍中，NTT名列前茅。1979年，NTT成功研制出0.2db/km的極低損耗1.5微米石英光纖，標(biāo)志著人類史上第一個(gè)商用光纖通信系統(tǒng)問世。1981年，該系統(tǒng)首先被引入日本郊區(qū)廣播服務(wù)站進(jìn)行商用測(cè)試，NTT于20年后正式推出FTTH（光纖到戶）系統(tǒng)，首次將光纖接入日本的千家萬(wàn)戶。時(shí)至今日，F(xiàn)TTH依舊是全業(yè)務(wù)、高帶寬的接入需求的最好模式。

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至此，NTT在光纖傳輸研發(fā)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位成就了其位列世界五大電信公司之一的美譽(yù)，卻也幾乎同時(shí)啟發(fā)其以一種別具一格的方式開始探索全球最前沿的技術(shù)之一，量子計(jì)算機(jī)的研究與開發(fā)。

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2001年，隨著IBM與斯坦福大學(xué)（Stanford University）開始量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)，日本政府提出了一個(gè)為期5年的量子計(jì)算與信息計(jì)劃，包括NTT、NEC（日本電氣）、日立公司在內(nèi)的多個(gè)日本行業(yè)領(lǐng)先企業(yè)積極響應(yīng)，紛紛開始了量子技術(shù)探索之路。

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基于在光纖技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，NTT幾乎是自然而然地選擇從激光技術(shù)路線出發(fā)，利用光學(xué)基礎(chǔ)解決量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)難點(diǎn)。量子計(jì)算機(jī)所需元件與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)大相徑庭，其中包括存儲(chǔ)量子信息的存儲(chǔ)器（量子比特）、對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行操作的量子邏輯門、每個(gè)存儲(chǔ)器比特的讀出裝置、這些裝置的集成等等。量子計(jì)算機(jī)研發(fā)最具挑戰(zhàn)性部分之一就是將量子信息保存在存儲(chǔ)器中足夠長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)執(zhí)行所有的量子處理。

基于此，NTT于2004年成功研制出超導(dǎo)磁數(shù)量子比特，它能通過(guò)比光能量更低的微波照射來(lái)控制量子比特，為光控制量子比特開辟了新路，被認(rèn)為是當(dāng)時(shí)最有希望應(yīng)用于量子計(jì)算機(jī)的基本組件。2005年，NTT又研制出基于硅光子晶體的高Q值光振蕩器，實(shí)現(xiàn)光振蕩器Q值突破100萬(wàn)大關(guān)，有望成為光內(nèi)存和光開關(guān)等光邏輯電路的基本技術(shù)，也是基于光子的偏振狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的重要基礎(chǔ)。隨后，NTT又與英國(guó)布里斯托大學(xué)合作，開發(fā)出一種完全可重新編程的量子光處理芯片，再次為實(shí)現(xiàn)光量子計(jì)算打下基礎(chǔ)。

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2014年，時(shí)任NTT物性基礎(chǔ)科學(xué)研究所客座研究員、斯坦福大學(xué)教授山本喜久被任命為日本內(nèi)閣府推出的量子科技研究項(xiàng)目“ImPACT”的負(fù)責(zé)人，在他的帶領(lǐng)下，NTT牽頭的研究組研發(fā)出一種基于簡(jiǎn)并光參量振蕩器的相干伊辛機(jī)（Coherent Ising Machine,CIM），并成為日后NTT在量子計(jì)算領(lǐng)域探索的最主要路線。

CIM是一種全新類型的結(jié)合光和電處理能力的計(jì)算機(jī)，以描述磁場(chǎng)機(jī)制的物理模型伊辛命名。它使用了一種特殊類型的激光系統(tǒng)來(lái)模擬磁場(chǎng)機(jī)制，通過(guò)電路模擬出大量激光脈沖，并利用可編輯邏輯門陣列(FPGA)連接脈沖群，在多次環(huán)行后找到最為穩(wěn)定的相位組合，其余計(jì)算由激光系統(tǒng)完成。這有點(diǎn)類似于D-Wave量子退火機(jī)，同樣是為解決組合優(yōu)化問題而設(shè)計(jì)的，但有所區(qū)別的是，CIM使用光纖環(huán)、光參量振蕩器和其他設(shè)備而不是超導(dǎo)電路來(lái)尋找伊辛哈密頓量的基態(tài)，這使得CIM無(wú)需像D-Wave的量子退火機(jī)那樣需要在嚴(yán)苛的低溫環(huán)境下才能工作，有利于更早實(shí)現(xiàn)商用。

2017年，NTT與斯坦福大學(xué)、日本國(guó)立情報(bào)學(xué)研究所等機(jī)構(gòu)合作開發(fā)的初代CIM公開發(fā)布，可以瞬間解決最大2000個(gè)要素的優(yōu)化問題，宣稱計(jì)算速度是傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的100倍。另外，研究人員還構(gòu)建了一套云系統(tǒng)，一般用戶也可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)接入該CIM，體驗(yàn)使用CIM解決規(guī)模優(yōu)化問題的計(jì)算機(jī)制，并為今后CIM應(yīng)用落地提供思路。

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隨著2019年初NTT Research在硅谷獨(dú)立，其下一步開始向10萬(wàn)量子比特、100億全連接的CIM進(jìn)發(fā)。

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2019年11月14日，NTT宣布與美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）等展開合作，開始研發(fā)基于光網(wǎng)絡(luò)的新型量子計(jì)算機(jī)；2020年3月，與東京大學(xué)合作，通過(guò)使用NTT的非線性光學(xué)晶體器件實(shí)現(xiàn)量子噪聲75%的壓縮率；2021年1月，宣布與加州理工學(xué)院（Caltech）應(yīng)用物理和材料科學(xué)系啟動(dòng)為期4年半的項(xiàng)目，合作開發(fā)世界上最快的CIM。

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從根本顛覆經(jīng)典計(jì)算機(jī)，是NTT Research長(zhǎng)期目標(biāo)的一部分，為了推進(jìn)這一目標(biāo)，PHI實(shí)驗(yàn)室已建立了CIM全球聯(lián)盟，聯(lián)盟包括九所頂級(jí)大學(xué)：加州理工學(xué)院、康奈爾大學(xué)、麻省理工學(xué)院、斯坦福大學(xué)、斯威本科技大學(xué)、密歇根大學(xué)、東京大學(xué)、東京工業(yè)大學(xué)和圣母大學(xué)，還有一個(gè)政府機(jī)構(gòu)：硅谷的NASA艾姆斯研究中心；以及一家量子計(jì)算軟件私人公司：1QBit。這個(gè)CIM全球聯(lián)盟目前正在共同推進(jìn)十余個(gè)聯(lián)合研究項(xiàng)目，相信在不遠(yuǎn)的未來(lái)，我們就得以一窺NTT定義下的量子計(jì)算世界全貌。

文：Chelsea

編輯：王珩