我們已經(jīng)取得了量子計(jì)算的霸主地位嗎？谷歌是這樣認(rèn)為的。10月23日，總部位于美國加州山景城的美國跨國科技公司谷歌的首席執(zhí)行官Sundar Pinchai發(fā)表了一篇博文，宣揚(yáng)該公司研究人員在構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)方面取得的勝利，“只需200秒即可完成一個(gè)測試計(jì)算，而這本來是最強(qiáng)大的超級計(jì)算機(jī)中最著名的算法需要數(shù)千年才能完成的。”
在谷歌AI博客上的另一篇文章中，量子硬件首席科學(xué)家John Martinis和谷歌AI量子公司量子計(jì)算理論首席科學(xué)家Sergio Boixo表示，他們的目標(biāo)是盡快構(gòu)建一個(gè)容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)。他們設(shè)想這樣一種量子設(shè)備能夠推動(dòng)材料設(shè)計(jì)的進(jìn)步，從而產(chǎn)生用于汽車和飛機(jī)的新型輕量化電池、更有效的藥物以及更好的催化劑，以更有效地生產(chǎn)肥料，減少碳排放。
谷歌計(jì)算業(yè)績的細(xì)節(jié)立即引起了量子計(jì)算領(lǐng)域其他重量級公司的反對，比如總部位于紐約州阿蒙克市的國際科技公司IBM，他們認(rèn)為在經(jīng)典系統(tǒng)中，同樣的計(jì)算任務(wù)的理想模擬可以在短短幾天內(nèi)完成，而且保真度更高。IBM還批評了谷歌使用“霸主地位”這個(gè)詞，并重申了自己關(guān)于量子計(jì)算機(jī)和經(jīng)典計(jì)算機(jī)以互補(bǔ)方式協(xié)同工作的愿景。
無論如何，量子信息科學(xué)（QIS）再次成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。正如位于伊利諾斯州的芝加哥大學(xué)物理學(xué)家和量子工程師David Awschalom所說，“量子信息科學(xué)在最小尺度上利用自然的特性來創(chuàng)造一項(xiàng)有意義的技術(shù)。”美國政府已經(jīng)通過《國家量子倡議法案》(National Quantum Initiative Act)承認(rèn)了量子信息科學(xué)的價(jià)值，該法案旨在為經(jīng)濟(jì)和國家安全目的加速量子的研究和開發(fā)。
對于許多普通觀察者來說，量子似乎很深?yuàn)W，但白宮科學(xué)技術(shù)政策辦公室量子信息科學(xué)副主任Jacob Taylor指出，基于量子的技術(shù)已經(jīng)使用了幾十年。“支撐全球定位系統(tǒng)(GPS)的原子鐘是基于量子理論的，”Taylor說。“在醫(yī)學(xué)上，我們使用量子技術(shù)為磁共振成像（MRI）機(jī)器提供動(dòng)力，探測人體內(nèi)部核自旋的聚合特性，以找到例如血液在何處釋放氧氣。”
學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的研究人員正在努力開發(fā)基于量子信息科學(xué)的更先進(jìn)的技術(shù)。這些努力可以分為三個(gè)主要領(lǐng)域：計(jì)算、通信和傳感。
其中，Awschalom認(rèn)為，量子信息科學(xué)的一些直接應(yīng)用將出現(xiàn)在傳感和通信領(lǐng)域。“量子態(tài)的脆弱性使它們成為強(qiáng)大傳感技術(shù)的基礎(chǔ)，”Awschalom表示。“在十年內(nèi)，量子傳感技術(shù)的進(jìn)步可能會讓我們將核磁共振成像分辨率降低到單分子水平，并將傳感器放置在活細(xì)胞內(nèi)，以觀察細(xì)胞機(jī)制的運(yùn)作。”
脆弱的力量
在嘗試建造量子計(jì)算機(jī)時(shí)，相同量子態(tài)的脆弱性會給良好的傳感器帶來挑戰(zhàn)。
“量子計(jì)算機(jī)的獨(dú)特功能源于量子比特或量子位（是量子信息的基本單位）中的兩個(gè)特殊特性，”位于北卡羅來納州達(dá)勒姆市的杜克大學(xué)電氣和計(jì)算機(jī)工程師、馬里蘭州帕克分校量子計(jì)算初創(chuàng)公司IonQ的聯(lián)合創(chuàng)始人Jungsang Kim說道。“其中一個(gè)特征是疊加原理，量子比特可以同時(shí)存在于0和1兩種狀態(tài)，它們之間的重量和相對相位是可控的，直到量子位被測量。另一個(gè)特征是糾纏，即幾個(gè)量子位之間存在相關(guān)性，即使每個(gè)量子位的狀態(tài)不能完全被確定為0或1。”
馬里蘭大學(xué)物理學(xué)家、IonQ聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席科學(xué)家Chris Monroe解釋說，為了保護(hù)存儲在量子粒子中的疊加態(tài)，量子技術(shù)通常涉及獨(dú)特的材料和條件。
“量子基本規(guī)則之一是疊加只有在你不看它的時(shí)候才存在，”Monroe強(qiáng)調(diào)道。“這意味著量子在簡單系統(tǒng)中效果最好，例如懸浮在真空室內(nèi)的非固體或表面的孤立原子，或者被冷凍到接近絕對零度的獨(dú)特固態(tài)設(shè)備。”
Monroe說，如果滿足這些條件，這樣的設(shè)備就能形成量子計(jì)算機(jī)，有可能解決常規(guī)經(jīng)典計(jì)算機(jī)永遠(yuǎn)無法解決的問題。
他給出了復(fù)雜分子化學(xué)建模的例子。“考慮像咖啡因這樣的分子，它有超過100個(gè)電子，”Monroe建議道。“這些電子是如何知道要去哪里以及它們的能級應(yīng)該是多少？目前，我們無法計(jì)算這些電子的結(jié)合能，這意味著很難知道一個(gè)特定的分子將如何與其它分子相互作用。量子計(jì)算可能在優(yōu)化這些模擬方面有巨大的應(yīng)用。”
轉(zhuǎn)向固態(tài)
量子計(jì)算機(jī)有可能成為家用甚至企業(yè)機(jī)器嗎？Awschalom認(rèn)為，量子計(jì)算機(jī)的大規(guī)模生產(chǎn)取決于找到讓量子比特在不太特殊的環(huán)境下工作的方法。“在真空中或超導(dǎo)體中使用原子制造量子比特是令人印象深刻的，但我們現(xiàn)在專注于使用固態(tài)材料制造量子比特，”他說。“電子制造業(yè)的現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施價(jià)值上萬億美元。如果我們能用半導(dǎo)體開發(fā)出可伸縮的量子比特，那么業(yè)界就可以生產(chǎn)數(shù)十億個(gè)。”
Awschalom的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，他們可以利用商用碳化硅二極管，制造缺陷來捕獲電子，并基于具有長相干時(shí)間和可調(diào)諧量子能量的電子自旋，建立他所說的“驚人的”量子態(tài)。他說:“我們現(xiàn)在正處于概念驗(yàn)證階段，但這些初步結(jié)果表明，我們有一個(gè)可伸縮性的途徑。”
就在這一點(diǎn)
如果說有哪家公司了解大規(guī)模電子制造，那非英特爾莫屬。英特爾是一家總部位于加州圣克拉拉的跨國科技公司。該公司擁有超過10萬名員工，每秒生產(chǎn)100億個(gè)晶體管（或每年生產(chǎn)超過30億億個(gè)晶體管)。
英特爾量子應(yīng)用與架構(gòu)總監(jiān)Anne Matsuura說，她的公司正在利用其在硅制造和封裝的特殊能力來開發(fā)硅量子點(diǎn)量子比特，她將其比作單電子晶體管。
英特爾已投資5000萬美元，與代爾夫特理工大學(xué)和荷蘭應(yīng)用研究組織TNO進(jìn)行為期10年的合作，以推進(jìn)量子計(jì)算。合作的一個(gè)方面涉及“熱量子比特”實(shí)驗(yàn)——研究硅點(diǎn)量子比特是否能在高溫下工作。“到目前為止，我們的合作伙伴在1開爾文下取得了有希望的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，”Matsuura說。“顯然，這仍然相當(dāng)冷，但它比今天所需的低溫溫度高幾個(gè)數(shù)量級。我們希望能夠繼續(xù)提高量子比特運(yùn)行的溫度范圍。”
英特爾正在采取其他措施，為半導(dǎo)體自旋量子比特創(chuàng)建一個(gè)300毫米、大容量制造和測試線。英特爾與Bluefors和Afore合作，開發(fā)了一種低溫晶圓探測器（或稱低溫探測器），可以在幾開爾文的溫度下測試量子比特。英特爾預(yù)計(jì)，低溫探測器將使其自動(dòng)化并加速對量子噪聲源和量子點(diǎn)質(zhì)量的測試，從幾周到幾分鐘。
使用大自然的量子比特
雖然英特爾正在尋找加速量子比特錯(cuò)誤測試的方法，但I(xiàn)onQ旨在通過完全不制造量子比特來回避其制造過程中的挑戰(zhàn)。
“我們使用電離原子——大自然的量子比特，”IonQ總裁兼首席執(zhí)行官Peter Chapman說。“我們不制造原子，所以每個(gè)量子比特都是完美的，沒有任何差異。漂浮在真空中，它們的基本退化時(shí)間尺度為1萬年，退相干時(shí)間可以延長至數(shù)年。”
IonQ利用電磁場在超高真空室內(nèi)的硅片上部署并捕獲原子量子比特，從而創(chuàng)造出該公司所稱的世界上第一臺商用捕獲離子量子計(jì)算機(jī)。
“我們的技術(shù)基于與原子鐘相同的原理，”Chapman說道。“如果你回顧一下20世紀(jì)50年代的原子鐘，它會占據(jù)整個(gè)房間，但現(xiàn)在它可以安裝在單個(gè)芯片上。我們的方法可以在室溫下工作，并且大部分情況下可以使用現(xiàn)成的組件�？梢院侠淼仡A(yù)期，我們的技術(shù)將遵循與原子鐘和其他電子產(chǎn)品一樣的路徑，并隨著時(shí)間的推移而收縮。如果人們在10年內(nèi)訂購量子筆記本電腦，我并不會感到驚訝。”
這些量子筆記本電腦能做什么呢？Chapman認(rèn)為，只有量子計(jì)算機(jī)才能處理強(qiáng)大的人工智能所必需的自然語言處理的爆炸性組合需求。
“如果你看一個(gè)句子中單個(gè)單詞的意思，它是與句子中所有其他單詞的上下文、段落、文檔和你以前的經(jīng)歷聯(lián)系在一起的，”Chapman表示。“語言包含了量子計(jì)算機(jī)真正擅長的多種可能含義的組合爆炸。現(xiàn)實(shí)世界自然是量子的。如果我們的智慧也來自同一個(gè)地方，這真的會令人驚訝嗎？”
IBM提高了體積
當(dāng)許多量子計(jì)算研究人員專注于增加量子比特的數(shù)量時(shí)，IBM采取了一種不同的方法。2017年，IBM宣布了一項(xiàng)名為量子體積的指標(biāo)，該指標(biāo)不僅基于量子比特?cái)?shù)來決定量子計(jì)算機(jī)的性能，還基于對各種因素進(jìn)行整體評估，如量子比特相干時(shí)間(它們保持疊加態(tài)的時(shí)間量)或可能影響量子處理器操作精度和準(zhǔn)確性的測量誤差。
“如果量子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)存在弱點(diǎn)，那么單個(gè)量子比特有多好都無關(guān)緊要，”位于紐約約克城高地的IBM研究院IBM Q生態(tài)系統(tǒng)開發(fā)副總裁Bob Sutor坦言。“軟件也很重要。我們必須能夠接受用戶程序并對其進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以便使其以優(yōu)化的方式在真正的量子硬件上運(yùn)行。”
IBM已經(jīng)通過一個(gè)開放項(xiàng)目和商業(yè)IBM Q網(wǎng)絡(luò)將其量子計(jì)算機(jī)上線，為愛好者、學(xué)者和行業(yè)研究人員提供一個(gè)學(xué)習(xí)和試驗(yàn)實(shí)際量子機(jī)器的機(jī)會。自2016年推出IBM Q以來，已有約17.5萬人注冊使用該系統(tǒng)。IBM量子科學(xué)家利用Q網(wǎng)絡(luò)與巴克萊、摩根大通和三菱化學(xué)等行業(yè)合作伙伴合作，試圖提高資本市場證券結(jié)算效率，實(shí)現(xiàn)期權(quán)定價(jià)的二次加速，并模擬鋰—空氣電池中鋰與氧反應(yīng)機(jī)理的初始步驟。
代碼生成器和電碼譯員
使用量子計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)更好的電池似乎是一個(gè)崇高的目標(biāo)，但如果不法分子試圖利用強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)的處理能力來破解加密算法呢？
幸運(yùn)的是，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所(NIST)正在研究這個(gè)問題。“要讓量子計(jì)算機(jī)通過分解大量數(shù)據(jù)來威脅（經(jīng)典）密碼方法，還需要很長一段時(shí)間，但NIST已經(jīng)在努力認(rèn)證后量子密碼系統(tǒng)，”Taylor說。“我們有望在2022年之前獲得該認(rèn)證，這意味著首席技術(shù)官應(yīng)該計(jì)劃在未來10年內(nèi)向后量子密碼保護(hù)過渡。”
與此同時(shí)，量子信息科學(xué)的進(jìn)步可能會導(dǎo)致真正不可能被黑客入侵的加密方法的發(fā)展——至少在不提醒接收方消息被攔截的情況下。
“在量子世界里，觀察事物的行為會改變它。從安全角度來看，這是一個(gè)優(yōu)勢，”Awschalom解釋道。“我們可以利用糾纏光子通過光纖網(wǎng)絡(luò)發(fā)送信息。如果有人試圖攔截消息并查看內(nèi)容，他們將無法將其‘放回’相同的狀態(tài)。信息將被加密發(fā)送，接收方會知道有人試圖竊聽傳輸中的通信。”
時(shí)間會證明一切
國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所和科羅拉多大學(xué)博爾德分校的物理學(xué)家葉俊(音譯)正在利用量子力學(xué)推進(jìn)時(shí)間測量。他利用激光束和蒸發(fā)技術(shù)，將原子一個(gè)接一個(gè)地裝入由光構(gòu)成的晶格中。這些新的原子鐘比傳統(tǒng)原子鐘精確約100倍�；谶@種新的時(shí)鐘，葉俊(音譯)和同事在10月份發(fā)表了一篇論文，表明他們在光學(xué)領(lǐng)域開發(fā)了一種新的時(shí)間尺度，其性能比當(dāng)前用于定義世界時(shí)間的時(shí)間尺度好10倍。
葉俊(音譯)指出，這種改進(jìn)可能對通信和導(dǎo)航有直接的好處，因?yàn)樾l(wèi)星使用激光束而不是微波向彼此和地球發(fā)送信息。“你可以向星際飛船發(fā)送精確的指令和導(dǎo)航坐標(biāo)，這樣你就可以同步它在火星上的自動(dòng)著陸，”他說。“每次我們增加時(shí)鐘技術(shù)時(shí)，通常會引起社會其他地方多層技術(shù)的進(jìn)步。事實(shí)上，推動(dòng)時(shí)鐘和量子計(jì)算機(jī)發(fā)展的技術(shù)來自于今天正在發(fā)生的同樣的量子革命。” ■
Aaron Dalton是居住在田納西州納什維爾附近的自由撰稿人和編輯。
鳴謝：“原文由美國科學(xué)促進(jìn)會（www.aaas.org）發(fā)布在2019年11月15日《科學(xué)》雜志”。官方英文版請見https://www.science.org/content/article/quantum-technology-comes-age。