量子计算的“百家争鸣”时代

金贤敏（上海交通大学物理与天文学院研究员，博导）

量子计算的“百家争鸣”时代

金贤敏（上海交通大学物理与天文学院研究员，博导）

每当新思潮、新科技刚刚出现在大众视野时，探索精神永远驱动着人们去深入认识未知的事物。多样的途径、丰富的方法不断涌现，都能在这自由又朝气蓬勃的丛林里获得自己的领地。春秋诸子百家时代、欧洲文艺复兴时期是好的例证，计算机初期发展时代亦是如此。在硅谷参观“计算机历史博物馆”时，看到20世纪50～70年代第一代计算机的研发如火如荼，美国宾州的ENIAC、纽约州的IBM 1401、威斯康星州的Cray-1、英国剑桥的EDSAC、曼彻斯特的Mark 1等基于各种物理体系的计算机似雨后春笋。

时光轮转，这种“冯-诺伊曼”计算机走进了千家万户，而现在势不可挡地将要开启一个新的量子计算机时代。数十年前就有了费曼关于量子计算的构想，指出大幅提升计算速度的可能性，但只限于纸上谈兵；而眼下“摩尔定律”趋于瓶颈，人工智能、金融、新材料研发、医疗及生命科学等前沿科学对大数据处理的需求急速提升，这些都使得量子计算机从书本走进现实变得迫在眉睫。

计算机业界巨头敏锐洞察到了这株将要萌出的春芽，纷纷举起迎战大旗。谷歌早在2009年起就与DWave systems公司合作研究基于“量子退火”算法的模拟量子计算，采用的超导体物理体系具有很好的可扩展性，目前约1 000量子比特的量子退火器超导芯片已能够商业化，并在特定的优化任务中表现优越，只是这种算法是否合理利用量子效应仍受质疑。D-Wave早期另一份量子退火器芯片被洛克希德马丁公司所购，买家志在探索量子计算在军事中的应用前景。相比谷歌的先锋行动，IBM这家计算机百年老店也在新战役中开打得及时有力，近期发布全球首个商业用途量子计算云服务IBM Q，依靠一台含有5个超导环路的5量子比特量子计算机进行数据处理。IBM志在实现真正的通用量子计算，但目前受限于量子比特数扩展，与能够展示量子优越性的50个量子比特还有一定距离。在最近的性能测评中，IBM的超导量子计算机准确率明显低于马里兰大学ionQ实验室的5量子比特离子阱量子计算机，不过在运算速度上，前者比后者快近3个数量级。还有微软，前瞻性地提出基于马约拉纳费米子的“拓扑量子计算”战略，马约拉纳费米子的反粒子就是它本身，因此可能构建比其他量子体系更稳定的量子态，但是目前马约拉纳费米子的实验获取和研究还处在非常初级的阶段，应用于量子计算具有不确定性且征程漫漫。

中国同样也迈出了坚定的步伐。阿里巴巴联合中国科学院设立量子计算中心，潘建伟教授组在多光子量子纠缠、冷原子系综和量子计算等方面都有强劲的实力。目前可操控光量子数已达到10，光量子数逐年增长的趋势恰似光量子计算“摩尔定律”。而宏观光学固有的高损耗、操控精度和稳定性等技术难题已成为光量子系统扩展的原理性瓶颈。我们目前在上海交通大学正致力于量子信息技术芯片化和集成化研究，通过飞秒激光直写技术，就像3D打印一样制备可集成大规模光子线路的光量子芯片，构建尺度和复杂度上都达到全新水平的光量子系统，推动新物理的探索和大规模光量子计算机的研制。在20世纪40～70年代计算机技术初步发展时期，基本上只有欧美数国活跃的身影；在量子计算这新一轮科技浪潮中，中国已经具备一定的实力和研究成果并在光量子计算方面略有领先优势。中国正以积极主动、昂然向上的姿态参与到前沿科学的国际竞争合作中，作为当代的中国科学工作者，深感幸运亦倍受激励！

诚然，眼下不管是尚存争议的谷歌模拟量子计算，可扩展性还有待提高的离子阱、光子量子计算，还是目前离实验实现较远的拓扑通用量子计算以及核磁共振、金刚石色心等各种其他途径，都与工业推广应用存在一定的距离。但是量子计算那充满神秘而又灿烂美好的愿景，必“引无数英雄尽折腰”。即便路途布满荆棘，探索精神永不止息！