用《西遊·降魔篇》解讀「高溫量子」成果，居然如此絲滑

「量子計算的極度深寒開始融化。」

這是最近，某媒體關於《自然》雜誌（Nature）同期「背靠背」發表兩篇有關「高溫量子」研究成果的報導中的一句評價。這個評價雖說不上妙到毫巔，但確實很值得鑑賞鑑賞。

​在「鑑賞」之前，先聲明一下，這個成果很有意思，也很有意義，Nature能夠在同一期刊發兩篇「相似」的研究成果，也正說明了這一點。

先別擔心看不懂，本文將以《西遊降魔篇》為藍本，努力把這項進展說清楚。

圖片截自電影《西遊·降魔篇》

「極寒」：如同「孫猴子」被如來封印

鑑於量子計算被期望「算力無限」，齊天大聖孫悟空法力無邊，我們的設定是：

量子計算≈西遊前期孫悟空。

帶著這個設定，我們回到「量子計算的極寒開始融化」的話題。

Nature4月16日發表的這兩篇有關「高溫量子」的文章，的確是有關對量子晶片運行所需「極寒環境」進行改善方面的，改善的方向也恰好是「升溫」——從原來的無限接近絕對零度，到比絕對零度高出1.5開爾文。

升高1.5開爾文（K）就是升高1.5攝氏度（℃），K和℃這兩個單位的計數起點不一樣：攝氏度的0度是冰水混合物的溫度，開爾文溫度的零度就是絕對零度（-273.15℃）。

你可能會問，量子晶片運行為什麼需要「極寒環境」？你大可理解為，量子比特非常不穩定。到什麼程度呢？稍有擾動就容易失穩，哪怕是我向量子計算系統裡增加幾個量子比特所產生的熱量，就會干擾到它們的量子態，進而讓整個量子計算系統報廢。

於是，現在國際上正在開發的大多數量子計算機系統，只能在絕對零度以上的十分之一度內工作，溫度高一點都不行。

你看，像不像孫猴子不老實，稍不稱心如意就「大鬧天宮」，最後「如來」只好把他封印在五指山下。

「極寒」環境，就是量子計算的「五指山」。

極寒的代價也很巨大：正所謂「絕對零度無法達到」，要構建這種極寒環境，需要開發接近極限的製冷技術。

再直白點，就是需要大把燒錢。要構建這樣的制冷機，動輒數百萬美元。你別嫌貴，關鍵時刻你有錢都買不到——2019 年 12 月，美國商務部的一份內部文件提出，「限制向中國等美國在量子計算上的競爭對手出口稀釋制冷機」，說的就是它。

「融化」：玄奘為「猴子」解除封印

Nature這兩篇論文的研究成果，就是衝著「極寒」來的。

兩篇論文的兩個團隊分別來自澳大利亞新南威爾斯大學和荷蘭代爾夫特理工大學。兩家相隔這麼遠但用的是同一個理論方法，為什麼？因為荷蘭團隊的領頭人Menno Veldhorst，曾經是澳大利亞團隊項目leader——Andrew Dzurak教授小組的博士後研究員。

你可能又有問題：那荷蘭團隊算抄襲嗎？明確說，不算。因為原理提出跟試驗驗證，本就是物理學界常有的事兒，當初Dzurak提出來的理論方法，除了自己驗證，也允許其他團隊驗證。所以兩個團隊的成果其實是相互獨立、相互印證的。

再多說一句，Dzurak這邊出結果還是比Menno這邊快了8個月（試驗工作由該組量子實驗科學家兼工程師楊智寰主導，他是一位華人科學家），一個是2019年2月，一個是2019年10月。

楊智寰（左）和Andrew Dzurak（右）Credit- Paul Henderson-Kelly

我們接著說「融化」的事兒。

前邊已經說了，通過一頓操作猛如虎，兩個團隊把量子晶片系統可以工作的溫度提高到了1.5K（荷蘭團隊升溫到1.1K），這個溫度，是原來所需「極寒」環境溫度的15倍。

這也不「高溫」啊！對不對，對於我們常人來說，1.5K依舊是一個超出我們感知範圍、非常低溫的溫度。這點提升，又有什麼用呢？足以讓「極寒」融化嗎？

先說答案：非常有用，「融不融化」容後再表。

借用 Dzurak 的一句話就是：「人們日常的溫度概念很難感受 0.1K 到 1.5K的提升，但在量子世界中，這意味我們正在走出極端。」

翻譯一下，走出的極端有兩個：一個是傳統量子計算系統對「極寒」環境的依賴，一個是在「極寒」環境下的量子計算系統難以與傳統半導體晶片系統進行集成的制約。

再翻譯一下，就是以後搞量子計算（特別是走半導體線路的）的不用再花數百萬美元去弄那難搞的「稀釋制冷機」了，而且量子計算晶片也看到了利用現有的半導體電路工藝的希望。

這像極了《西遊·降魔篇》裡的孫猴子解除了封印有沒有。

解除封印後的孫悟空，圖片截自電影《西遊·降魔篇》

封印解除後「孫猴子」看上去大殺四方

在《西遊·降魔篇》裡，孫悟空一旦解除封印，立即大殺四方。像什麼天殘腳、空虛公子，都被他視若無物。

「高溫量子計算」這項成果也是如此，成果取得後，許多人對量子計算的前景刮目相看。

我們國內唯一一支專注矽基自旋量子比特體系（與澳大利亞Dzurak團隊類似）的研究團隊，是孵化自中國科學技術大學、由郭光燦院士和郭國平研究員發起創辦的「本源量子」團隊。他們自然對這一成果非常關注，郭國平也絲毫不吝讚美之詞：

「提高目前量子計算的工作溫度，同時兼容現有半導體工藝，是實用化量子計算研發的大趨勢。」

「本源量子」量子測控總監孔偉成也稱，這項成果的取得使得「能夠提供相應制冷機的供應商名單起碼翻了10倍，並且國內就有，解除了壟斷和禁運的風險」。

只需要幾千美元、國內就有的制冷機，它不香嗎？

在荷蘭團隊的論文成果中，晶片巨頭英特爾也有參與。英特爾研究院量子硬體總監Jim Clarke更是憧憬這一成果給量子計算機商用化帶來的想像空間。

他說：「矽自旋量子位…，非常類似英特爾已製造超過50年之久的電晶體…，有望賦能商業規模級量子系統。」

類似的評論還有：

「這是一項引人注目的工作」

「矽量子計算又一突破」

「為實現各種本地量子位控制選項鋪平了道路」

……

修成正果路漫漫

在這麼多讚譽之後，後邊還有個「但是」。

這項成果的確令人印象深刻，但是，在這項成果之後，我們是不是就可以期許量子計算機很快就有望實現了呢？

這個問題的答案，其實不那麼肯定。

先說一點，這樣的成果由澳大利亞科學家取得，是因為澳大利亞真的在矽基（半導體）量子計算方面投入時間夠長、夠專注——人家已經專注20年。南方科技大學量子科學與工程研究院副研究員賀煜說，今天，澳大利亞已經成為國際上矽量子計算領先的一支力量。

然而，實用化量子計算機的研製，無論在科學理論和工程技術實現上，都還有非常非常多的難題待解，它不僅考驗一支或者幾支團隊在這個領域投入的韌性和定力，甚至還考驗一個國家在量子計算機研發方面頂層設計上的智慧。

實用或通用量子計算機的實現，依然需要大量的投入，前路依然漫漫任重而道遠。

連Clarke都說：「新的進步並沒有改變我們實現實用量子計算機的時間表。」

像極了被解除封印的孫悟空，想要修成正果，前面還要歷經九九八十一難。

量子計算這隻「孫猴子」，只是走出了山洞。圖截自電影《西遊·降魔篇》

量子計算這隻「孫猴子」，只是走出了山洞。

所以你說，量子計算的「極寒」開始「融化」了嗎？

相關論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-020-2171-6

https://doi.org/10.1038/s41586-020-2170-7