2015 年，新南威爾士大學(xué)量子大牛 Andrew Dzurak 教授曾經(jīng)帶領(lǐng)他的團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)一項(xiàng)量子計(jì)算機(jī)的里程碑成果——用半導(dǎo)體材料硅制造出量子邏輯門 (quantum logic gate)，首次使兩個(gè)量子比特(quantum bits) 或者 “量子位”(qubits) 間信息計(jì)算成為可能。作為打造量子計(jì)算機(jī)的基本元件，兩比特量子邏輯門的成功制造具有里程碑意義。當(dāng)時(shí)，這一重要成果發(fā)表在了 Nature 上。

在成為首個(gè)在硅片上創(chuàng)建雙量子比特門的團(tuán)隊(duì)之后，4 年過去了，他們又在打造基于硅片的量子計(jì)算機(jī)上邁出一大步——測量了硅雙量子比特操作的準(zhǔn)確性，這次論文也已經(jīng)于 5 月 13 日在 Nature 在線發(fā)表。

這是科學(xué)家有史以來第一次測量了硅的雙量子位邏輯運(yùn)算的保真度。這項(xiàng)非常有前景的研究結(jié)果可以擴(kuò)展應(yīng)用到全集成量子芯片。隨著 Andrew Dzurak 團(tuán)隊(duì)在硅量子研究的到位，在打造量子計(jì)算機(jī)的全球競賽中，悉尼有望成為新的焦點(diǎn)。

“量子計(jì)算是本世紀(jì)的太空競賽，而悉尼正處于領(lǐng)先地位，”對于團(tuán)隊(duì)取得的成果，新南威爾士大學(xué)工程學(xué)院院長 Hoffman 教授如此評(píng)價(jià)。他認(rèn)為，這一突破證明這個(gè)世界領(lǐng)先的團(tuán)隊(duì)正在將量子計(jì)算從理論范圍擴(kuò)展到實(shí)際生活中。“這是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)的又一個(gè)里程碑式進(jìn)展，它更加證實(shí)了硅是極具吸引力的方法這個(gè)事實(shí)。”

基于現(xiàn)有的硅基半導(dǎo)體技術(shù)打造一款真正意義上的量子芯片，一直是這支研究隊(duì)伍的目標(biāo)，如果他們能夠?qū)崿F(xiàn)這一目標(biāo)，長久以來在現(xiàn)有的半導(dǎo)體工業(yè)中占據(jù)絕對主導(dǎo)地位的硅，又將在量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域煥發(fā)“第二春”。

量子計(jì)算研究已驗(yàn)證關(guān)鍵一步

量子計(jì)算機(jī)能通過利用量子物理學(xué)中的兩個(gè)神奇原理，“糾纏（entanglement）”和 “疊加（superposition）”，以指數(shù)形式擴(kuò)展計(jì)算機(jī)的處理速度。因?yàn)槲覀內(nèi)粘Ｓ玫?a target="_blank">電腦中，存儲(chǔ)和運(yùn)算的單元態(tài)是“0” 和“1”，而量子計(jì)算中量子比特可以同時(shí)存儲(chǔ) 0,1 的任意組合。也正是由于量子計(jì)算機(jī)一次可以存儲(chǔ)多個(gè)值，所以可以同時(shí)處理它們，一次執(zhí)行多個(gè)操作。

這將使量子計(jì)算機(jī)在解決一系列重要問題時(shí)，比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)快數(shù)百萬倍。對于一些具有挑戰(zhàn)性的問題，例如設(shè)計(jì)復(fù)雜藥物和先進(jìn)材料、大型數(shù)據(jù)庫搜索等，量子計(jì)算機(jī)可以在幾天，甚至幾個(gè)小時(shí)內(nèi)就找到解決方案，而當(dāng)今最好的傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)則需要數(shù)百萬年。設(shè)計(jì)并建造一臺(tái)這種真正意義上的通用量子計(jì)算機(jī)被稱為“21 世紀(jì)的太空競賽”，是一場劃時(shí)代的科學(xué)革命。

圖丨雙量比特器件的布局和操作（來源：Nature）

然而，為了解決這些有挑戰(zhàn)性的問題，并考慮到量子糾錯(cuò)等問題，科學(xué)家估計(jì)一臺(tái)通用型的量子計(jì)算機(jī)往往需要大量數(shù)目的量子比特，很可能是幾百萬個(gè)，而且需要它們很穩(wěn)定地工作。

此外，量子計(jì)算機(jī)的打造仍然存在幾大挑戰(zhàn)，例如如何最大限度地長時(shí)間保留其量子態(tài)疊加（這將有利于保留更長時(shí)的量子信息），如何更好地容錯(cuò)等等。目前我們所知的所有類型的量子比特都是非常脆弱的，因此任何微小的計(jì)算錯(cuò)誤都可能給最終結(jié)果帶來不可忽視的影響。

圖丨Andrew Dzurak（來源：YouTube）

其中最基礎(chǔ)的一個(gè)問題是，所有的量子計(jì)算都可以由一個(gè)量子比特或雙量子比特的運(yùn)算完成，這些量子計(jì)算的核心計(jì)算單元能否支撐準(zhǔn)確的運(yùn)算。2015 年，Dzurak 的團(tuán)隊(duì)率先在硅片上進(jìn)行量子邏輯門的研究，通過雙量子比特信息計(jì)算，以推進(jìn)硅量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)。此后，世界各地的許多團(tuán)體都證實(shí)了硅能做出雙量子比特邏輯門。但此前，這種雙量子比特邏輯門的保真度尚不清楚。

保真度對量子成功至關(guān)重要。參與此次研究的高級(jí)研究員 Henry Yang 表示：“保真度是一個(gè)非常重要的參數(shù)，它決定了量子比特技術(shù)的可行性。如果量子比特操作接近完美，你能利用強(qiáng)大的量子計(jì)算能力進(jìn)行運(yùn)算，并只產(chǎn)生很小的誤差。”

在這項(xiàng)研究中，該團(tuán)隊(duì)實(shí)施了基于“Clifford”（一種可以評(píng)估量子比特精度的技術(shù)）的保真度基準(zhǔn)測試，研究結(jié)果證明平均兩個(gè)量子比特邏輯門的保真度為 98％。

論文的第一作者、新南威爾士大學(xué)電氣工程專業(yè)博士生 Wister Huang 說：“我們通過確認(rèn)并減少主要誤差獲得了高保真度，并且使得我們的雙量子器件十分可靠，能夠達(dá)到長邏輯門運(yùn)算序列的標(biāo)準(zhǔn)，甚至可以支持 50 多個(gè)邏輯門的運(yùn)算。”

圖丨Andrew Dzurak教授及其團(tuán)隊(duì)中的兩位重要人員電氣工程專業(yè)博士生Wister Huang、高級(jí)研究員Henry Yang博士（來源：UNSW SYDNEY）

“硅是必經(jīng)之路”？

除了首次驗(yàn)證硅雙量子比特運(yùn)算的保真度以外，研究人員表示，此次成果亦進(jìn)一步證明，硅作為技術(shù)平臺(tái)非常適合擴(kuò)展到通用量子計(jì)算上。

世界各地的科學(xué)家都在致力于利用特殊材料開發(fā)新型量子計(jì)算系統(tǒng)，新南威爾士研究團(tuán)隊(duì)的一個(gè)獨(dú)特之處就在于，利用傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料硅作為研究材料。

“如果硅量子計(jì)算準(zhǔn)確度太低，那將導(dǎo)致嚴(yán)重的問題。而現(xiàn)在，這個(gè)結(jié)果一度接近 99％，說明它能很好地滿足我們的需求，并且有進(jìn)一步改進(jìn)的良好前景。正如我們預(yù)測的那樣，研究結(jié)果顯示出硅是全集成量子計(jì)算的可行平臺(tái)，“ Dzurak 教授說，“我們認(rèn)為在不久的將來我們會(huì)獲得更高的保真度，并有望開啟全集成、高容錯(cuò)量子計(jì)算的道路。我們現(xiàn)在處于雙量子位精度時(shí)代的邊緣，而量子糾錯(cuò)能力正好與之相稱。”

圖丨雙量子比特隨機(jī)基準(zhǔn)測試（來源：Nature）

硅作為晶體管的載體在制造計(jì)算機(jī)芯片方面具有顯著優(yōu)勢。

鑒于硅已經(jīng)成為全球計(jì)算機(jī)行業(yè)近 60 年的核心元素，其性能已經(jīng)得到很好的工業(yè)認(rèn)可。由 Dzurak 教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)的基于硅 CMOS 技術(shù)的自旋量子芯片（Spin qubits），在量子計(jì)算方面有很大的前景，有潛力利用現(xiàn)有的集成電路技術(shù)生成大量用于實(shí)際應(yīng)用的量子比特。

Dzurak 教授已經(jīng)領(lǐng)導(dǎo)了一個(gè)項(xiàng)目，與澳大利亞第一家量子計(jì)算公司 Silicon Quantum Computing 來推進(jìn) CMOS 硅量子技術(shù)發(fā)展，正致力于開發(fā)一種可用于現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的量子芯片。

按照團(tuán)隊(duì)的設(shè)想，首款全集成的量子芯片（A full-scale quantum processor ）會(huì)主要應(yīng)用在金融、安全和醫(yī)療行業(yè)。它能大大加速制藥化合物的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)過程，有助于識(shí)別和開發(fā)新藥物。它還有助于開發(fā)新型更輕、更強(qiáng)的材料，可以用于飛機(jī)上的消費(fèi)類電子產(chǎn)品。另外，它還能加速大型數(shù)據(jù)庫的信息搜索。

如果硅真的如 Dzurak 所言，是量子計(jì)算的必經(jīng)之路，那么，在目前幾家押注通用量子計(jì)算的商業(yè)機(jī)構(gòu)中，英特爾可能會(huì)笑到最后。

英特爾、IBM、微軟、谷歌等公司都已在從事開發(fā)通用的量子計(jì)算機(jī)，但英特爾選擇的路線和這幾家稍有不同，它和新南威爾士團(tuán)隊(duì)一樣，選擇基于硅而非超導(dǎo)體作為量子比特的載體的技術(shù)路線。其實(shí)，英特爾本身已經(jīng)具備大量基于硅的半導(dǎo)體專業(yè)技術(shù)和設(shè)備，在大規(guī)模生產(chǎn)硅量子上具有先發(fā)優(yōu)勢。

圖丨高頻振蕩電磁場中的單個(gè)硅原子電子自旋。（來源：Arne Laucht/UNSW）

不過，總體來看，全球無論是商業(yè)公司、科研機(jī)構(gòu)還是政府部門，在量子計(jì)算研究上取得的進(jìn)展普遍低于預(yù)期，例如，谷歌曾經(jīng)宣布要在 2017 年實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)，但目前這一目標(biāo)未見達(dá)成。量子信息技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了廣泛的原理性驗(yàn)證，是否能真正走出實(shí)驗(yàn)室，走向?qū)嵱没彤a(chǎn)業(yè)化，我們拭目以待。