量子計算機誕生，再連接光量子通信網絡，就能實現量子網際網路啦

你還記得谷歌製造出一臺53量子比特量子計算機原型的科技大新聞嗎？量子計算機執行特定計算的速度，比世界上最快的超級計算機快得多。就像目前大多數量子計算機一樣，這個系統擁有53個量子比特，量子比特相當於傳統計算機中編碼信息的比特。為了製造更大、更有用的量子計算機系統，目前大多數量子計算機原型都必須克服穩定性和可擴展性方面的挑戰。

可擴展性將需要增加信號和布線的密度，這很難做到而不降低系統的穩定性。日本理化學研究所（RIKEN）超導量子電子研究小組在過去三年裡與其他機構合作開發出一種新的電路布線方案，為在未來十年內擴大到100個或更多量子比特打開了大門。量子計算機以量子力學原理為基礎，使用精細而複雜的相互作用來處理信息。為了進一步解釋這一點，我們必須理解量子比特。

挑戰一：可擴展性

量子計算機是由單個量子比特為基礎建造，這些量子比特類似於傳統計算機中使用的二進位比特。但是，量子比特需要保持非常脆弱的量子態，而不是二進位比特的0或1個二進位態。不只是0或1，量子比特還可以處於一種稱為疊加的狀態，在某種程度上，它們同時處於0和1的狀態。這使得基於量子比特的量子計算機，可以並行處理每個可能的邏輯狀態(0或1)數據，因此它們可以比針對特定類型問題基於傳統計算機執行更有效、從而更快的計算。

然而，與傳統的二進位比特相比，創建量子比特要困難得多，而且需要完全控制電路的量子力學行為。科學家們已經想出了幾種方法，可以在一定程度上可靠地做到這一點。在日本理化學研究所（RIKEN），一種含有一種叫做約瑟夫森結元件的超導電路，被用來創造一種有用的量子力學效應。通過這種方式，現在可以用半導體工業中常用的納米製造技術可靠地、重複地生產量子比特。

可擴展性的挑戰來自這樣一個事實，即每個量子比特都需要布線和連接，以產生最小串擾的控制和讀出。當經過二乘二或四乘四的量子位小陣列時，科學家已經意識到相關的線路可以被包裝得多麼密集，所以必須創造更好的系統和製造方法，以避免線路交叉。使用的布線方案建立了一個4乘4量子比特陣列，每個量子比特的連接都是從晶片的背面垂直進行。

而不是像其他團隊將布線墊帶到量子晶片邊緣的單獨的「倒裝晶片」接口。這涉及到一些複雜的製造，通過矽晶片形成密集的超導通孔(電連接)陣列，但它應該可以擴大到更大的設備。研究團隊正在努力研製一種64量子比特的設備，並希望在未來三年內推出，然後是一個100量子比特的設備，作為國家資助研究計劃的一部分，再過五年，或將最終能實現在單個晶片上集成多達1000個量子比特的量子計算機。

挑戰二：穩定性

量子計算機面臨的另一個主要挑戰是：如何處理量子比特對溫度波動和噪音等的影響。為了讓量子比特發揮作用，它需要保持在量子疊加狀態，即「量子相干」。在超導量子比特的早期，可以使這種狀態只持續幾納秒。現在，通過將量子計算機冷卻到低溫，並建立其他幾種環境控制，可以保持量子相干長達100微秒。雖然只有幾百微秒，但在量子疊加態之前，實現平均執行幾千次信息處理操作。

從理論上講，可以處理不穩定性的一種方法是使用量子糾錯，利用幾個物理量子比特來編碼單個「邏輯量子比特」，並應用可以診斷和修復錯誤的糾錯協議來保護邏輯量子比特。但由於許多原因，實現這一點仍很遙遠，其中最重要的是可擴展性問題。自20世紀90年代以來，在量子計算成為一件大事之前，很多科學家感興趣的是能否在電路中創建和測量量子疊加態。

量子電路

當時，電路作為一個整體是否可以表現為量子力學，這一點並不明顯。為了在電路中實現穩定的量子比特，並在電路中創建通斷狀態，電路還需要能夠支持疊加態。科學家最終想出了使用超導電路的想法，超導體沒有電阻和損耗，因此它的流線型可以響應比較微弱的量子力學效應。為了測試這個電路，研究使用了一個由鋁製成的微尺度超導島，通過約瑟夫森結（由納米厚的絕緣勢壘隔開的結）：

連接到一個更大的超導接地電極，並捕獲了隧穿結的超導電子對。由於鋁超導島很小，負電荷對之間的庫侖阻塞效應，它最多只能容納一個多餘的對。島中0或1過剩對的狀態，可以用作量子比特的狀態。量子力學隧穿保持了量子比特的相干性，並能使科學家創建完全由微波脈衝控制的狀態疊加。由於其非常微妙的性質，量子計算機短期內不太可能進入普通家庭普及民用。

混合系統

認識到研究量子計算機的巨大好處，谷歌和IBM等科技巨頭以及世界各地的許多初創公司和學術機構都在越來越多地投資研究量子計算機。完全糾錯的商用量子計算平臺可能還需要十多年時間，但最先進的技術發展，已經帶來了新的科學和應用的可能性。較小規模的量子計算機已經在實驗室中執行了有用的任務。例如，將超導量子電路平臺與其他量子力學系統結合使用。

這種混合量子系統能以前所未有的靈敏度，測量集體激發中的單個量子反應，無論是磁鐵中電子自旋的進動，襯底中的晶格振動，還是電路中的電磁場。這些測量應該會促進我們對量子物理的理解，並隨之而來的是量子計算，如果系統也足夠靈敏，可以在微波頻率下測量單個光子，其能量大約比可見光光子低五個數量級，而不會吸收或破壞它，科學家希望這將成為連接量子比特模塊等量子網絡的基石。

量子網際網路

將超導量子計算機連接到光量子通信網絡，是混合系統未來的另一個挑戰。這將是根據對未來的預期而開發，未來將包括通過光纜連接的量子網際網路，這讓人想起今天的網際網路。然而，即使是電信波長的單光子紅外光，也不可能在不幹擾量子信息的情況下直接擊中超導量子比特，所以必須仔細的設計，科學家目前正在研究混合量子系統，它通過其他量子系統：

例如涉及微型聲學振蕩器的系統，將量子信號從超導量子比特轉換到紅外光子，反之亦然。儘管許多複雜的問題需要克服，但科學家們可以看到一個由量子計算機增強的未來即將到來。事實上，量子科學不少應用已經掌握在我們手中，如果沒有對半導體中電子性質的正確理解，電晶體和雷射二極體就永遠不會發明，這完全是基於對量子力學的理解，未來我們只會變得更加依賴量子力學。

博科園｜研究/來自：日本理化學研究所

參考期刊《科學》《自然物理》《物理評論快報》

DOI: 10.1126/science.aaz9236

DOI: 10.1038/s41567-020-0797-9

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