科技日?qǐng)?bào)駐德國(guó)記者 李山

近日，圍繞量子計(jì)算的研究進(jìn)展，科技日?qǐng)?bào)記者采訪了德國(guó)波恩大學(xué)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家塞巴斯蒂安·霍弗伯思教授。霍弗伯思認(rèn)為，目前量子計(jì)算的研究仍未脫離基礎(chǔ)科學(xué)部分，基于中性原子和光子的量子計(jì)算機(jī)平臺(tái)已具有與離子和超導(dǎo)平臺(tái)同樣的競(jìng)爭(zhēng)力，下一步重要的是提高各平臺(tái)的糾錯(cuò)能力，而現(xiàn)階段量子計(jì)算仍離不開(kāi)經(jīng)典計(jì)算的支持。

相關(guān)研究尚未脫離基礎(chǔ)研究

作為一名實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，霍弗伯思主攻利用里德堡原子研究量子光學(xué)。他所做的大部分研究都是在實(shí)驗(yàn)技術(shù)的驅(qū)動(dòng)下探索新的方向和實(shí)驗(yàn)極限。他強(qiáng)調(diào)，實(shí)驗(yàn)是獲得科學(xué)直覺(jué)的最好方式。量子光學(xué)是實(shí)驗(yàn)真正直接照亮許多基本方面的領(lǐng)域之一。愛(ài)因斯坦只能以抽象的方式思考光子，而現(xiàn)在單光子或少數(shù)光子理論已在實(shí)驗(yàn)室中發(fā)揮作用。

量子力學(xué)作為一種理論已有百年歷史，然而霍弗伯思認(rèn)為，關(guān)于量子計(jì)算的研究，人們目前還沒(méi)有真正脫離基礎(chǔ)科學(xué)部分。科學(xué)家們?nèi)栽谧穯?wèn)關(guān)于糾纏以及多體量子系統(tǒng)等問(wèn)題，這些問(wèn)題從根本上來(lái)說(shuō)仍懸而未決。

量子計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)是量子比特，它們基于各種不同的硬件平臺(tái)，目的是精確控制盡可能多的量子比特并將其用于計(jì)算。然而，不同量子計(jì)算機(jī)之間很難簡(jiǎn)單類比。霍弗伯思說(shuō)：“現(xiàn)在人們總喜歡說(shuō)某個(gè)技術(shù)平臺(tái)的量子計(jì)算機(jī)已達(dá)到多少個(gè)量子比特。實(shí)際上不同平臺(tái)有各自的特性和標(biāo)準(zhǔn)，量子比特?cái)?shù)只是指標(biāo)之一。這有點(diǎn)像車輛技術(shù)，只談汽車的最高時(shí)速是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還必須考慮車子是否安全，乘坐是否舒適等。再舉個(gè)例子，IBM此前計(jì)劃于2025年實(shí)現(xiàn)超過(guò)1000個(gè)量子比特，但現(xiàn)在已把目標(biāo)調(diào)整為100個(gè)效果很好的量子比特。”

技術(shù)平臺(tái)各有潛力

至于未來(lái)哪一種量子技術(shù)平臺(tái)發(fā)展?jié)摿ψ畲螅舾ゲ颊J(rèn)為，目前說(shuō)哪個(gè)平臺(tái)最好并沒(méi)有意義。例如，2010年美國(guó)和歐洲都制定了量子計(jì)劃，但僅提到了離子量子計(jì)算和超導(dǎo)量子計(jì)算。目前另外兩個(gè)平臺(tái)已變得同樣具有競(jìng)爭(zhēng)力，即中性原子和光子。

霍弗伯思說(shuō)：“過(guò)去兩年，美歐各自對(duì)這兩個(gè)平臺(tái)的投資都高達(dá)5億歐元左右。現(xiàn)在就量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展路線作出明確判斷還為時(shí)過(guò)早。研究仍在廣泛的方向上進(jìn)行，這就是科學(xué)的偉大之處。這對(duì)于公司和投資者來(lái)說(shuō)或許有點(diǎn)不幸，但從科學(xué)的角度來(lái)看這非常令人興奮。”

除了可行量子比特的數(shù)量有限，量子計(jì)算機(jī)的核心挑戰(zhàn)還包括其對(duì)可能扭曲計(jì)算的干擾的高敏感性。當(dāng)前含噪聲的中尺度量子計(jì)算能實(shí)現(xiàn)許多量子比特，但對(duì)錯(cuò)誤的敏感性還不夠低，無(wú)法可靠地進(jìn)行計(jì)算。不過(guò)，科學(xué)家們正在這方面取得進(jìn)展。

霍弗伯思說(shuō)：“事實(shí)證明，在量子計(jì)算機(jī)中，糾錯(cuò)很重要，因?yàn)槟惚仨毚_定如何使這些量子計(jì)算機(jī)具有容錯(cuò)能力，以便它們以真正可行的方式工作。去年科學(xué)家們?cè)趯?shí)現(xiàn)真正糾錯(cuò)量子信息方面邁出堅(jiān)實(shí)的一步，這是一個(gè)非常大的突破。接下來(lái)真正重要的一步是在所有平臺(tái)上進(jìn)行糾錯(cuò)。”

還需經(jīng)典計(jì)算支持

在德國(guó)，最好的量子計(jì)算機(jī)在大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室里。各家初創(chuàng)企業(yè)在不同的方向上都有所差異，有離子阱量子計(jì)算機(jī)，有超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)，還有中性原子量子計(jì)算機(jī)，所有這些都處于開(kāi)發(fā)的早期階段。霍弗伯思說(shuō)：“我們正在研究基于中性原子的量子計(jì)算，特別是里德堡原子。”

不管未來(lái)量子計(jì)算機(jī)能否像經(jīng)典計(jì)算機(jī)那樣發(fā)展到廣泛用于公司和私人家庭的設(shè)備，霍弗伯思認(rèn)為現(xiàn)階段的量子計(jì)算機(jī)仍需要經(jīng)典計(jì)算的支持。例如，慕尼黑萊布尼茨超級(jí)計(jì)算中心已成功將歐洲量子計(jì)算公司IQM基于超導(dǎo)電路的20量子處理器單元集成到一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)中。而于利希超級(jí)計(jì)算中心正在將包括D-Wave TM退火量子計(jì)算機(jī)在內(nèi)的多個(gè)量子計(jì)算設(shè)施納入其基礎(chǔ)設(shè)施中。

霍弗伯思說(shuō)：“于利希研究中心正在建立的超級(jí)計(jì)算資源和量子計(jì)算資源從一開(kāi)始就建立在基礎(chǔ)設(shè)施和訪問(wèn)系統(tǒng)中。我們不能忘記量子計(jì)算機(jī)也始終需要經(jīng)典計(jì)算能力來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。我們將建造量子計(jì)算機(jī)，并使用超級(jí)計(jì)算機(jī)來(lái)理解和操作量子計(jì)算機(jī)。這就是為什么從一開(kāi)始就建立良好的網(wǎng)絡(luò)非常重要。這是一件非常好的事情。”