第二次量子革命：拐點(diǎn)將近
發(fā)布人：中國科學(xué)報
時(shí)間：2022-03-27
來(lái)源：工程師
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一個(gè)世紀以來(lái)，科研人員們對量子世界的奇異現象進(jìn)行的種種研究，直接或間接催生了眾多現代社會(huì )核心技術(shù)：激光、核磁共振成像、GPS、半導體電子乃至當前的計算機技術(shù)。
通往終極夢(mèng)想的道路上，沿途每一枚看似不相干的技術(shù)果實(shí)，都在加強人類(lèi)對量子計算的理解，幫助科學(xué)家獲得操控量子比特和量子系統的能力。2003年，物理學(xué)家 Jonathan Dowling 和 Gerard Milburn提出了著(zhù)名的“第二次量子革命”。
近20年過(guò)去，量子優(yōu)越性已成事實(shí)，量子計算似乎迎來(lái)技術(shù)突破井噴的階段，成為最熱門(mén)的科學(xué)和工程話(huà)題之一。種種跡象都在暗示：第二次量子革命拐點(diǎn)將近。
攀登“高精度”
就在昨天（3月24日），來(lái)自中國的阿里巴巴達摩院量子實(shí)驗室，公布了其最新研發(fā)的新型超導量子芯片，在該芯片上實(shí)現兩比特門(mén)99.72%的操控精度，達到此類(lèi)比特的全球最佳水平。
大約2個(gè)月前，澳大利亞新南威爾士大學(xué)團隊，實(shí)現了硅量子計算雙量子比特99.37%的保真度；
來(lái)自荷蘭的代爾夫特理工大學(xué)團隊，通過(guò)使用硅/硅鍺合金量子點(diǎn)的電子自旋，實(shí)現兩比特門(mén)99.65%保真度；
而日本RIKEN團隊同樣使用了該量子點(diǎn)雙電子系統，實(shí)現了兩量子比特門(mén)99.51%操控精度。
盡管使用的是不同的量子平臺，全球量子科學(xué)家們似乎都在量子比特操控精度上想進(jìn)一步，再進(jìn)一步。
這是因為，操控精度是衡量量子芯片性能的一個(gè)核心指標。倘若量子操控精度不高，計算時(shí)錯誤會(huì )累積，便無(wú)法實(shí)現超越經(jīng)典計算的能力。
人類(lèi)歷史上探索量子計算所能達到的頂級表現，已證明了“量子優(yōu)越性”：2019年，谷歌發(fā)布超導量子芯片“懸鈴木”，公布有效比特數53個(gè)，震驚世人；隨后兩年，來(lái)自中國科技大學(xué)的潘建偉團隊，先后發(fā)布76個(gè)光量子的“九章”、56個(gè)超導量子的“祖沖之二號”，成功在兩類(lèi)平臺上實(shí)現“量子優(yōu)越性”。
無(wú)論比特推進(jìn)到多少，高精度的對量子比特的操控始終是實(shí)現有價(jià)值的量子計算的基石。因此，來(lái)自中國、澳大利亞、荷蘭和日本的最新突破才會(huì )顯得尤為引人注目。
達摩院量子實(shí)驗室負責人施堯耘告訴《中國科學(xué)報》，“更高精度”和“更多比特數”這兩個(gè)問(wèn)題既有各自獨特的挑戰，同時(shí)也并非完全獨立?！昂笳咭獙?shí)現大規模的量子計算，也必須通過(guò)高精度的多比特芯片，而當系統規模變大，即使要保持同一精度，也會(huì )變得更加困難?！?/span>
尋找“新比特”
在尋找質(zhì)量更高、更易實(shí)現操控的量子比特路上，科學(xué)家們往往為了千分之一的性能提高而孜孜不倦。
達摩院量子實(shí)驗室的最新突破，就是基于新型量子比特fluxonium。此前該比特的兩比特門(mén)操控精度為99.2%，由美國馬里蘭大學(xué)研究團隊錄得。達摩院將這一指標提升至99.72%，接近傳統比特transmon達到的99.85%-99.86%。
作為一種新型超導量子，fluxonium屬于后生力量。過(guò)去業(yè)界更熟悉的是相對成熟的transmon，也是谷歌、IBM等國際領(lǐng)先團隊等采用的超導量子。
相對于電荷型的transmon，磁通型的 fluxonium 更能抵御電荷噪聲和電介質(zhì)損耗所帶來(lái)的干擾，并且fluxonium 也更接近于理想的 2 能級系統。因此，如果采用新型fluxonium 比特，量子計算就能獲得更高的操控精度，這對推進(jìn)容錯量子計算乃至量子計算的實(shí)用化至關(guān)重要。
于是，為了那理論上更優(yōu)的“高精度”可能，來(lái)自達摩院量子實(shí)驗室、馬里蘭大學(xué)、普林斯頓大學(xué)、芝加哥大學(xué)、UC Berkeley、MIT/Lincoln Lab等超導量子計算研究組，均在全球最大的物理學(xué)術(shù)會(huì )議之一的APS March Meeting 2022 年會(huì )上，分享了共數十個(gè)以fluxonium為主題的報告。
達摩院在fluxonium平臺上對此前最高精度絕對值上0.52%的提升，相當于是對噪音65%的降低，已初步證明了fluxonium的理論潛力，施堯耘總結稱(chēng)：“fluxonium不再是學(xué)術(shù)界演示原理的粗糙玩具，而已然成為可與主流平臺爭鋒的工業(yè)級利器?！?/span>
“回旋式”探索
達摩院在量子計算的探索，也為全球科學(xué)家提供了寶貴的可借鑒的經(jīng)驗。
德國Karlsruhe Institute of Technology研究團隊在其剛出爐的一篇最新論文中，第一句總結超導量子計算在工業(yè)界的成功，便引用了分別來(lái)自IBM、Rigetti、Alibaba 和 Google的工作。
在A(yíng)PS March Meeting 2022年會(huì )上，來(lái)自美國麻省理工學(xué)院的研究團隊，也對比分析了馬里蘭大學(xué)團隊和達摩院量子實(shí)驗室團隊對達摩院公布的兩比特門(mén)操控上的數據和特色。
看起來(lái)，fluxonium正成為學(xué)術(shù)界刮向產(chǎn)業(yè)界的一陣新旋風(fēng)。這種新型的fluxonium量子比特，是否會(huì )取代transmon而成為業(yè)界主流？
沒(méi)人說(shuō)得準。在第二次量子革命時(shí)代，最不缺的，似乎就是不確定性。
施堯耘告訴記者，量子計算的實(shí)現目前還處于基礎研究為主，回旋式工程化的階段，還沒(méi)有能力實(shí)現超越經(jīng)典的實(shí)際應用?！爸哉f(shuō)回旋式，是因為工程化的具體技術(shù)目標和路徑還在探索之中，預期會(huì )有多次轉折?！彼f(shuō)。
在“高精度”打下了一定的技術(shù)基礎之后，“多比特”的目標也被擺在了達摩院量子計算團隊的桌面上。
“我們的確在啟動(dòng)多比特的工作?！笔﹫蛟耪f(shuō)：“過(guò)去三年，實(shí)驗室一直以高精度為核心目標，但我們下一個(gè)階段的目標是‘可擴展的高精度’?！?/span>
據他解釋?zhuān)_摩院量子實(shí)驗室將嘗試的比特數，不是為了最大化這個(gè)數字，或者進(jìn)行“比特數競賽”，而是為了發(fā)現并克服規?；^(guò)程中影響精度的主要因素。
“所以未來(lái)我們的工作也不會(huì )有很多比特數?！笔﹫蛟耪f(shuō)，其他同仁在多比特上的成果驗證了已知技術(shù)在多比特集成上的可達的能力，但還沒(méi)有解決的是，如何在這么大的系統上實(shí)現高精度?！拔覀兿Ｍㄟ^(guò)最小的代價(jià)，也就是最小規模的芯片，去理解并解決此目標會(huì )碰到的核心問(wèn)題?！?/span>
編輯 | 趙路
排版 | 郭剛
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