作者 | 趙廣立
一個(gè)世紀(jì)以來，科研人員們對(duì)量子世界的奇異現(xiàn)象進(jìn)行的種種研究，直接或間接催生了眾多現(xiàn)代社會(huì)核心技術(shù)：激光、核磁共振成像、GPS、半導(dǎo)體電子乃至當(dāng)前的計(jì)算機(jī)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(qiáng)人類對(duì)量子計(jì)算的理解，幫助科學(xué)家獲得操控量子比特和量子系統(tǒng)的能力。2003年，物理學(xué)家 Jonathan Dowling 和 Gerard Milburn提出了著名的“第二次量子革命”。
近20年過去，量子優(yōu)越性已成事實(shí)，量子計(jì)算似乎迎來技術(shù)突破井噴的階段，成為最熱門的科學(xué)和工程話題之一。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），來自中國(guó)的阿里巴巴達(dá)摩院量子實(shí)驗(yàn)室，公布了其最新研發(fā)的新型超導(dǎo)量子芯片，在該芯片上實(shí)現(xiàn)兩比特門99.72%的操控精度，達(dá)到此類比特的全球最佳水平。
阿里達(dá)摩院最新公布的新型量子芯片
大約2個(gè)月前，澳大利亞新南威爾士大學(xué)團(tuán)隊(duì)，實(shí)現(xiàn)了硅量子計(jì)算雙量子比特99.37%的保真度；
來自荷蘭的代爾夫特理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)，通過使用硅/硅鍺合金量子點(diǎn)的電子自旋，實(shí)現(xiàn)兩比特門99.65%保真度；
而日本RIKEN團(tuán)隊(duì)同樣使用了該量子點(diǎn)雙電子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了兩量子比特門99.51%操控精度。
盡管使用的是不同的量子平臺(tái)，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?yàn)椋倏鼐仁呛饬苛孔有酒阅艿囊粋€(gè)核心指標(biāo)。倘若量子操控精度不高，計(jì)算時(shí)錯(cuò)誤會(huì)累積，便無法實(shí)現(xiàn)超越經(jīng)典計(jì)算的能力。
人類歷史上探索量子計(jì)算所能達(dá)到的頂級(jí)表現(xiàn)，已證明了“量子優(yōu)越性”：2019年，谷歌發(fā)布超導(dǎo)量子芯片“懸鈴木”，公布有效比特?cái)?shù)53個(gè)，震驚世人；隨后兩年，來自中國(guó)科技大學(xué)的潘建偉團(tuán)隊(duì)，先后發(fā)布76個(gè)光量子的“九章”、56個(gè)超導(dǎo)量子的“祖沖之二號(hào)”，成功在兩類平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”。
無論比特推進(jìn)到多少，高精度的對(duì)量子比特的操控始終是實(shí)現(xiàn)有價(jià)值的量子計(jì)算的基石。因此，來自中國(guó)、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(dá)摩院量子實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人施堯耘告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，“更高精度”和“更多比特?cái)?shù)”這兩個(gè)問題既有各自獨(dú)特的挑戰(zhàn)，同時(shí)也并非完全獨(dú)立?！昂笳咭獙?shí)現(xiàn)大規(guī)模的量子計(jì)算，也必須通過高精度的多比特芯片，而當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模變大，即使要保持同一精度，也會(huì)變得更加困難。”
尋找“新比特”
在尋找質(zhì)量更高、更易實(shí)現(xiàn)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(dá)摩院量子實(shí)驗(yàn)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操控精度為99.2%，由美國(guó)馬里蘭大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)錄得。達(dá)摩院將這一指標(biāo)提升至99.72%，接近傳統(tǒng)比特transmon達(dá)到的99.85%-99.86%。
阿里達(dá)摩院最新公布的新型量子芯片
作為一種新型超導(dǎo)量子，fluxonium屬于后生力量。過去業(yè)界更熟悉的是相對(duì)成熟的transmon，也是谷歌、IBM等國(guó)際領(lǐng)先團(tuán)隊(duì)等采用的超導(dǎo)量子。
相對(duì)于電荷型的transmon，磁通型的 fluxonium 更能抵御電荷噪聲和電介質(zhì)損耗所帶來的干擾，并且fluxonium 也更接近于理想的 2 能級(jí)系統(tǒng)。因此，如果采用新型fluxonium 比特，量子計(jì)算就能獲得更高的操控精度，這對(duì)推進(jìn)容錯(cuò)量子計(jì)算乃至量子計(jì)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，來自達(dá)摩院量子實(shí)驗(yàn)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(dǎo)量子計(jì)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(shù)十個(gè)以fluxonium為主題的報(bào)告。
達(dá)摩院在fluxonium平臺(tái)上對(duì)此前最高精度絕對(duì)值上0.52%的提升，相當(dāng)于是對(duì)噪音65%的降低，已初步證明了fluxonium的理論潛力，施堯耘總結(jié)稱：“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(tái)爭(zhēng)鋒的工業(yè)級(jí)利器。”
“回旋式”探索
達(dá)摩院在量子計(jì)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(yàn)。
德國(guó)Karlsruhe Institute of Technology研究團(tuán)隊(duì)在其剛出爐的一篇最新論文中，第一句總結(jié)超導(dǎo)量子計(jì)算在工業(yè)界的成功，便引用了分別來自IBM、Rigetti、Alibaba 和 Google的工作。
在APS March Meeting 2022年會(huì)上，來自美國(guó)麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)，也對(duì)比分析了馬里蘭大學(xué)團(tuán)隊(duì)和達(dá)摩院量子實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)對(duì)達(dá)摩院公布的兩比特門操控上的數(shù)據(jù)和特色。
APS2022 March Meeting現(xiàn)場(chǎng)
看起來，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？
沒人說得準(zhǔn)。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(jì)算的實(shí)現(xiàn)目前還處于基礎(chǔ)研究為主，回旋式工程化的階段，還沒有能力實(shí)現(xiàn)超越經(jīng)典的實(shí)際應(yīng)用。“之所以說回旋式，是因?yàn)楣こ袒木唧w技術(shù)目標(biāo)和路徑還在探索之中，預(yù)期會(huì)有多次轉(zhuǎn)折?！彼f。
在“高精度”打下了一定的技術(shù)基礎(chǔ)之后，“多比特”的目標(biāo)也被擺在了達(dá)摩院量子計(jì)算團(tuán)隊(duì)的桌面上。
“我們的確在啟動(dòng)多比特的工作。”施堯耘說：“過去三年，實(shí)驗(yàn)室一直以高精度為核心目標(biāo)，但我們下一個(gè)階段的目標(biāo)是‘可擴(kuò)展的高精度’。”
據(jù)他解釋，達(dá)摩院量子實(shí)驗(yàn)室將嘗試的比特?cái)?shù)，不是為了最大化這個(gè)數(shù)字，或者進(jìn)行“比特?cái)?shù)競(jìng)賽”，而是為了發(fā)現(xiàn)并克服規(guī)?；^程中影響精度的主要因素。
“所以未來我們的工作也不會(huì)有很多比特?cái)?shù)?！笔﹫蛟耪f，其他同仁在多比特上的成果驗(yàn)證了已知技術(shù)在多比特集成上的可達(dá)的能力，但還沒有解決的是，如何在這么大的系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)高精度。“我們希望通過最小的代價(jià)，也就是最小規(guī)模的芯片，去理解并解決此目標(biāo)會(huì)碰到的核心問題?！?/p>