近年來，量子信息技術(shù)作為現(xiàn)象級科學(xué)突破，全世界熱議不斷，很多國家將其明確為重點(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，谷歌在博客中將之稱為“（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部門的首席科學(xué)家。他本人評價(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，來源：自然雜志

誠然，量子計(jì)算的科研項(xiàng)目如火如荼地展開著，科學(xué)家實(shí)驗(yàn)室的黑板上寫滿了全新的量子協(xié)議和算法，頂級學(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)算大競賽正面臨著一些新的問題。

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。

▲來源：CB Insights[3]

然而，不同于經(jīng)典比特的穩(wěn)定性，量子比特對環(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)，具體來說，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100萬個(gè)量子比特，使其處理能力呈指數(shù)級增強(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5年內(nèi)數(shù)量僅翻了一番。Martinis擔(dān)憂地指出，照這個(gè)速度，要達(dá)到100萬個(gè)量子比特的真正里程碑，可能漫漫無期。

英國薩塞克斯大學(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，阻礙從100個(gè)到100萬個(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，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)不過是用來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)體量子芯片對運(yùn)行環(huán)境最基本的要求均為接近絕對零度的極低溫環(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)低于其能級對應(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)，來源：谷歌

讓我們對比一下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”可能將呈幾何級或超線性增長，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、空間和噪聲問題，使得在低溫恒溫器中物理上無法容納百萬級別的控制線路。

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，對于運(yùn)行數(shù)量不高的量子比特來說，該方法尚可行，但若要實(shí)現(xiàn)通用型量子計(jì)算，面對上百萬個(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)百萬個(gè)元件，迎來了智能設(shè)備的大放異彩。

另外，還需要拋棄目前量子計(jì)算芯片開發(fā)所依賴的已有60年歷史的剝離制造工業(yè)，在Martinis看來，這種工藝過時(shí)且低效，還不夠干凈，也無法進(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)百萬個(gè)量子比特”。由于單片晶圓尺寸、信號以及低溫環(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，但可以通過模塊化和互連來解決。“我們可以在單個(gè)純凈的晶圓上實(shí)現(xiàn)2萬個(gè)高保真量子比特，隨后將若干晶圓相互連接，形成一個(gè)包含上百萬個(gè)量子比特的完整系統(tǒng)。”Martinisi如此寫道。

好消息在今年下半年不斷傳來，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)百萬個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)開辟新途徑。

▲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。來源：Diraq

僅在一個(gè)多月后，IBM [13] 在11月量子開發(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，前者專為量子優(yōu)勢而打造，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)制造來鋪就。面對“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，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)知識和原理；接下來得讓工程師和技術(shù)人員扛起發(fā)展的大旗，發(fā)揮所長，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