你還記得谷歌制造出一臺(tái)53量子比特量子計(jì)算機(jī)原型的科技大新聞嗎？量子計(jì)算機(jī)執(zhí)行特定計(jì)算的速度，比世界上最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快得多。

就像目前大多數(shù)量子計(jì)算機(jī)一樣，這個(gè)系統(tǒng)擁有53個(gè)量子比特，量子比特相當(dāng)于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)中編碼信息的比特。為了制造更大、更有用的量子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，目前大多數(shù)量子計(jì)算機(jī)原型都必須克服穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性方面的挑戰(zhàn)。

可擴(kuò)展性將需要增加信號(hào)和布線(xiàn)的密度，這很難做到而不降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性。日本理化學(xué)研究所（RIKEN）超導(dǎo)量子電子研究小組在過(guò)去三年里與其他機(jī)構(gòu)合作開(kāi)發(fā)出一種新的電路布線(xiàn)方案，為在未來(lái)十年內(nèi)擴(kuò)大到100個(gè)或更多量子比特打開(kāi)了大門(mén)。量子計(jì)算機(jī)以量子力學(xué)原理為基礎(chǔ)，使用精細(xì)而復(fù)雜的相互作用來(lái)處理信息。為了進(jìn)一步解釋這一點(diǎn)，我們必須理解量子比特。

挑戰(zhàn)一：可擴(kuò)展性

量子計(jì)算機(jī)是由單個(gè)量子比特為基礎(chǔ)建造，這些量子比特類(lèi)似于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)中使用的二進(jìn)制比特。但是，量子比特需要保持非常脆弱的量子態(tài)，而不是二進(jìn)制比特的0或1個(gè)二進(jìn)制態(tài)。不只是0或1，量子比特還可以處于一種稱(chēng)為疊加的狀態(tài)，在某種程度上，它們同時(shí)處于0和1的狀態(tài)。這使得基于量子比特的量子計(jì)算機(jī)，可以并行處理每個(gè)可能的邏輯狀態(tài)(0或1)數(shù)據(jù)，因此它們可以比針對(duì)特定類(lèi)型問(wèn)題基于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)執(zhí)行更有效、從而更快的計(jì)算。

然而，與傳統(tǒng)的二進(jìn)制比特相比，創(chuàng)建量子比特要困難得多，而且需要完全控制電路的量子力學(xué)行為?？茖W(xué)家們已經(jīng)想出了幾種方法，可以在一定程度上可靠地做到這一點(diǎn)。在日本理化學(xué)研究所（RIKEN），一種含有一種叫做約瑟夫森結(jié)元件的超導(dǎo)電路，被用來(lái)創(chuàng)造一種有用的量子力學(xué)效應(yīng)。通過(guò)這種方式，現(xiàn)在可以用半導(dǎo)體工業(yè)中常用的納米制造技術(shù)可靠地、重復(fù)地生產(chǎn)量子比特。

可擴(kuò)展性的挑戰(zhàn)來(lái)自這樣一個(gè)事實(shí)，即每個(gè)量子比特都需要布線(xiàn)和連接，以產(chǎn)生最小串?dāng)_的控制和讀出。當(dāng)經(jīng)過(guò)二乘二或四乘四的量子位小陣列時(shí)，科學(xué)家已經(jīng)意識(shí)到相關(guān)的線(xiàn)路可以被包裝得多么密集，所以必須創(chuàng)造更好的系統(tǒng)和制造方法，以避免線(xiàn)路交叉。使用的布線(xiàn)方案建立了一個(gè)4乘4量子比特陣列，每個(gè)量子比特的連接都是從芯片的背面垂直進(jìn)行。

而不是像其他團(tuán)隊(duì)將布線(xiàn)墊帶到量子芯片邊緣的單獨(dú)的“倒裝芯片”接口。這涉及到一些復(fù)雜的制造，通過(guò)硅芯片形成密集的超導(dǎo)通孔(電連接)陣列，但它應(yīng)該可以擴(kuò)大到更大的設(shè)備。研究團(tuán)隊(duì)正在努力研制一種64量子比特的設(shè)備，并希望在未來(lái)三年內(nèi)推出，然后是一個(gè)100量子比特的設(shè)備，作為國(guó)家資助研究計(jì)劃的一部分，再過(guò)五年，或?qū)⒆罱K能實(shí)現(xiàn)在單個(gè)芯片上集成多達(dá)1000個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)。

挑戰(zhàn)二：穩(wěn)定性

量子計(jì)算機(jī)面臨的另一個(gè)主要挑戰(zhàn)是：如何處理量子比特對(duì)溫度波動(dòng)和噪音等的影響。為了讓量子比特發(fā)揮作用，它需要保持在量子疊加狀態(tài)，即“量子相干”。在超導(dǎo)量子比特的早期，可以使這種狀態(tài)只持續(xù)幾納秒?，F(xiàn)在，通過(guò)將量子計(jì)算機(jī)冷卻到低溫，并建立其他幾種環(huán)境控制，可以保持量子相干長(zhǎng)達(dá)100微秒。雖然只有幾百微秒，但在量子疊加態(tài)之前，實(shí)現(xiàn)平均執(zhí)行幾千次信息處理操作。

從理論上講，可以處理不穩(wěn)定性的一種方法是使用量子糾錯(cuò)，利用幾個(gè)物理量子比特來(lái)編碼單個(gè)“邏輯量子比特”，并應(yīng)用可以診斷和修復(fù)錯(cuò)誤的糾錯(cuò)協(xié)議來(lái)保護(hù)邏輯量子比特。但由于許多原因，實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)仍很遙遠(yuǎn)，其中最重要的是可擴(kuò)展性問(wèn)題。自20世紀(jì)90年代以來(lái)，在量子計(jì)算成為一件大事之前，很多科學(xué)家感興趣的是能否在電路中創(chuàng)建和測(cè)量量子疊加態(tài)。

量子電路

當(dāng)時(shí)，電路作為一個(gè)整體是否可以表現(xiàn)為量子力學(xué)，這一點(diǎn)并不明顯。為了在電路中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的量子比特，并在電路中創(chuàng)建通斷狀態(tài)，電路還需要能夠支持疊加態(tài)?？茖W(xué)家最終想出了使用超導(dǎo)電路的想法，超導(dǎo)體沒(méi)有電阻和損耗，因此它的流線(xiàn)型可以響應(yīng)比較微弱的量子力學(xué)效應(yīng)。為了測(cè)試這個(gè)電路，研究使用了一個(gè)由鋁制成的微尺度超導(dǎo)島，通過(guò)約瑟夫森結(jié)（由納米厚的絕緣勢(shì)壘隔開(kāi)的結(jié)）：

連接到一個(gè)更大的超導(dǎo)接地電極，并捕獲了隧穿結(jié)的超導(dǎo)電子對(duì)。由于鋁超導(dǎo)島很小，負(fù)電荷對(duì)之間的庫(kù)侖阻塞效應(yīng)，它最多只能容納一個(gè)多余的對(duì)。島中0或1過(guò)剩對(duì)的狀態(tài)，可以用作量子比特的狀態(tài)。量子力學(xué)隧穿保持了量子比特的相干性，并能使科學(xué)家創(chuàng)建完全由微波脈沖控制的狀態(tài)疊加。由于其非常微妙的性質(zhì)，量子計(jì)算機(jī)短期內(nèi)不太可能進(jìn)入普通家庭普及民用。

混合系統(tǒng)

認(rèn)識(shí)到研究量子計(jì)算機(jī)的巨大好處，谷歌和IBM等科技巨頭以及世界各地的許多初創(chuàng)公司和學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)都在越來(lái)越多地投資研究量子計(jì)算機(jī)。完全糾錯(cuò)的商用量子計(jì)算平臺(tái)可能還需要十多年時(shí)間，但最先進(jìn)的技術(shù)發(fā)展，已經(jīng)帶來(lái)了新的科學(xué)和應(yīng)用的可能性。較小規(guī)模的量子計(jì)算機(jī)已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中執(zhí)行了有用的任務(wù)。例如，將超導(dǎo)量子電路平臺(tái)與其他量子力學(xué)系統(tǒng)結(jié)合使用。

這種混合量子系統(tǒng)能以前所未有的靈敏度，測(cè)量集體激發(fā)中的單個(gè)量子反應(yīng)，無(wú)論是磁鐵中電子自旋的進(jìn)動(dòng)，襯底中的晶格振動(dòng)，還是電路中的電磁場(chǎng)。這些測(cè)量應(yīng)該會(huì)促進(jìn)我們對(duì)量子物理的理解，并隨之而來(lái)的是量子計(jì)算，如果系統(tǒng)也足夠靈敏，可以在微波頻率下測(cè)量單個(gè)光子，其能量大約比可見(jiàn)光光子低五個(gè)數(shù)量級(jí)，而不會(huì)吸收或破壞它，科學(xué)家希望這將成為連接量子比特模塊等量子網(wǎng)絡(luò)的基石。

量子互聯(lián)網(wǎng)

將超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)連接到光量子通信網(wǎng)絡(luò)，是混合系統(tǒng)未來(lái)的另一個(gè)挑戰(zhàn)。這將是根據(jù)對(duì)未來(lái)的預(yù)期而開(kāi)發(fā)，未來(lái)將包括通過(guò)光纜連接的量子互聯(lián)網(wǎng)，這讓人想起今天的互聯(lián)網(wǎng)。然而，即使是電信波長(zhǎng)的單光子紅外光，也不可能在不干擾量子信息的情況下直接擊中超導(dǎo)量子比特，所以必須仔細(xì)的設(shè)計(jì)，科學(xué)家目前正在研究混合量子系統(tǒng)，它通過(guò)其他量子系統(tǒng)：

例如涉及微型聲學(xué)振蕩器的系統(tǒng)，將量子信號(hào)從超導(dǎo)量子比特轉(zhuǎn)換到紅外光子，反之亦然。盡管許多復(fù)雜的問(wèn)題需要克服，但科學(xué)家們可以看到一個(gè)由量子計(jì)算機(jī)增強(qiáng)的未來(lái)即將到來(lái)。事實(shí)上，量子科學(xué)不少應(yīng)用已經(jīng)掌握在我們手中，如果沒(méi)有對(duì)半導(dǎo)體中電子性質(zhì)的正確理解，晶體管和激光二極管就永遠(yuǎn)不會(huì)發(fā)明，這完全是基于對(duì)量子力學(xué)的理解，未來(lái)我們只會(huì)變得更加依賴(lài)量子力學(xué)。

博科園｜研究/來(lái)自：日本理化學(xué)研究所

參考期刊《科學(xué)》《自然物理》《物理評(píng)論快報(bào)》

DOI: 10.1126/science.aaz9236

DOI: 10.1038/s41567-020-0797-9

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