位于上海的中科院量子信息和量子科技創(chuàng )新研究院的一間實(shí)驗室內，三平米的實(shí)驗臺上看似毫無(wú)章法、密密麻麻地布滿(mǎn)大大小小的鏡片和古怪的器件，一些電線(xiàn)從上方的支架上垂落下來(lái)，旁邊的一臺儀器發(fā)出單調的“啾啾”聲。

這是近20位科研工作者經(jīng)過(guò)4年多孕育出的中國量子計算機“嬰兒”，它也是世界上首臺超越早期經(jīng)典計算機的光量子計算機，5月初才在世人面前首次亮相。

量子計算所依據的原理是微觀(guān)世界最詭異的量子糾纏現象。對古人來(lái)說(shuō)，現代電子技術(shù)如同巫術(shù)，而開(kāi)啟未來(lái)科技引擎的量子計算在當今世人眼中又何嘗不是。

制造上帝無(wú)法區分的光子

這臺初具雛形的光量子計算機的研制者之一、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)年僅34歲的陸朝陽(yáng)教授留著(zhù)寸頭短發(fā)，眼鏡片藏不住眼中露出的聰慧，人們稱(chēng)他是操縱光子的“巫師”。

“世界上找不到兩片一模一樣的樹(shù)葉，但我們可以制造出兩個(gè)一模一樣的光子，可以開(kāi)玩笑地說(shuō)連上帝都無(wú)法區分，量子力學(xué)中叫做‘全同’。兩個(gè)獨立的光子只有一模一樣了，才能讓它們產(chǎn)生量子干涉，進(jìn)而糾纏，否則兩個(gè)光子誰(shuí)都不理誰(shuí)?！标懗?yáng)說(shuō)。

上帝也無(wú)法區分的光子產(chǎn)生于一個(gè)單光子源。發(fā)出鳴叫聲的是制冷機，為單光子源提供零下269攝氏度的低溫環(huán)境。

“我們這里的單光子目前在國際上綜合性能最優(yōu)，全同性比率達到99.5%，效率比國際上第二名高10倍以上。這是由于我們在2013年創(chuàng )新了一種激發(fā)方法，可以大幅度降低噪音。之前國外技術(shù)產(chǎn)生的單光子就好像一對玩了泥巴的雙胞胎，你可以通過(guò)他們身上的泥巴區分他們，而我們制造出的光子就像把雙胞胎洗得干干凈凈，你就分辨不出他們了?！标懗?yáng)說(shuō)。

這些光子在實(shí)驗臺上的鏡片間跑來(lái)跑去，經(jīng)過(guò)10多個(gè)波片，改變了偏振信息后被導入一個(gè)關(guān)鍵器件——多路分束器，它相當于這臺光量子計算機的CPU。在這里，“巫師們”對光子進(jìn)行操縱。

那些看似橫七豎八排列的反射鏡、波片、分束器和其他怪異的元器件，其實(shí)是“巫師們”獨具匠心地設計、組裝起來(lái)的。

“我們設計出的超低損耗量子線(xiàn)路效率達到99%，而國際上其他研究組的量子線(xiàn)路效率只有30%?！标懗?yáng)說(shuō)。

這個(gè)“嬰兒”誕生以來(lái)，只做了一件事：玩了一個(gè)叫“玻色取樣”的游戲。這是科學(xué)家專(zhuān)門(mén)設計出來(lái)讓量子計算機和經(jīng)典計算機比賽的游戲。

對著(zhù)顯示屏上高低起伏的譜線(xiàn)，“巫師”說(shuō)：“我們僅操縱了5個(gè)糾纏的光子，它就打敗了早期的經(jīng)典計算機?！倍拔讕焸儭痹?016年底已可以操縱10個(gè)糾纏光子，創(chuàng )造了新的世界紀錄。他們計劃今年年底實(shí)現操縱大約20個(gè)量子比特。

“雖然這臺光量子計算機還不如你握著(zhù)的手機計算能力強，但它是一個(gè)里程碑。人類(lèi)歷史上第一臺電子計算機有幾間屋子大，今天我們看它一文不值，但它具有非常重要的科學(xué)意義，從科學(xué)到技術(shù)，再到應用，要一步步走來(lái)?！标懗?yáng)說(shuō)，最初汽車(chē)剛發(fā)明時(shí)，性能很不可靠，還沒(méi)有馬車(chē)方便舒適。但隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，汽車(chē)終究超過(guò)馬車(chē)。

尋找通往“羅馬”的路

陸朝陽(yáng)的導師、中科院院士潘建偉20多年一直致力于對微觀(guān)粒子的操控。他的團隊近期取得量子計算方面的突破得益于單光子源和超低損耗量子線(xiàn)路方面的進(jìn)展?！拔覀冊缦鹊穆贩浅ＦD難，而現在進(jìn)展越來(lái)越快，這意味著(zhù)量子計算研究就像雨后春筍，到了爆發(fā)式成長(cháng)的節點(diǎn)?！?/p>

由于量子計算的巨大潛在價(jià)值，歐美各國以及一些大型高科技公司如谷歌、微軟、IBM等都在大力研究。如何實(shí)現量子計算，科學(xué)家們正在嘗試很多種方案，光量子只是其中一種。

從事超導量子計算研究的中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授朱曉波說(shuō)：“我所知道的各國在花大力氣做的就有七八種路徑，中國幾個(gè)研究團隊走在不同的路徑上?！?/p>

“現在誰(shuí)也不知道最后哪個(gè)技術(shù)路線(xiàn)能做成真正有實(shí)用價(jià)值的量子計算機，有可能條條大路通羅馬，好幾個(gè)方向都做成，只是解的問(wèn)題不一樣，有可能會(huì )有不同類(lèi)型的量子計算機。還有一種可能是，或許某一天從一條無(wú)人知道的路徑殺出一匹黑馬?！敝鞎圆ㄕf(shuō)。

目前，潘建偉團隊在三個(gè)方向努力推進(jìn)：光量子、超冷原子和超導。

潘建偉說(shuō)，光量子系統是中國的傳統優(yōu)勢。但最快能帶來(lái)實(shí)際價(jià)值的可能是超冷原子系統?！翱赡茉龠^(guò)一兩年，我們的實(shí)驗室就能達到400個(gè)原子的相干操縱，這將是巨大的進(jìn)步?！?/p>

而超導量子計算這條技術(shù)路徑也不能忽視。谷歌、IBM等公司在這一領(lǐng)域做了巨大投入?！斑@是因為超導量子系統的可集成性和相干性非常好，它的耗電量比經(jīng)典超級計算機小得多，幾乎可以忽略不計。而這方面，中國也具有成熟的技術(shù)?！迸私▊フf(shuō)，不同的研究團隊應協(xié)同創(chuàng )新、相互借鑒。

潘建偉預計，2020年中國有望研制出50個(gè)左右量子比特的超導量子計算機，超越目前最強大的超級計算機，實(shí)現“量子稱(chēng)霸”。

孕育中的另一個(gè)“嬰兒”

在量子信息和量子科技創(chuàng )新研究院另一間實(shí)驗室，超導量子計算機也在孕育之中。與光量子計算機五臟六腑一覽無(wú)余地鋪陳開(kāi)來(lái)不同的是，超導量子計算機的核心部件都包裹在一個(gè)懸在空中一米多高的圓柱形罐子里。同樣有制冷機發(fā)出鳴叫，不過(guò)超導量子計算機需要的環(huán)境溫度更低，達到零下273.15攝氏度。

作為它的主要研制者之一，朱曉波說(shuō)，他與浙江大學(xué)王浩華教授以及陸朝陽(yáng)、潘建偉合作，用超導材料研制出世界上糾纏數目最多（即10比特）的超導量子芯片。

這個(gè)指甲蓋大小的芯片就位于圓柱形罐子的底部，巨大的罐子是為了提供芯片工作所需要的極低溫、極低噪聲的環(huán)境。

朱曉波認為，目前這套系統還不能稱(chēng)為一臺超導量子計算機。他希望能做出平臺和接口，可以讓人去訪(fǎng)問(wèn)它?！傲孔佑嬎銠C是全新的，怎么運算，很多最頂級科學(xué)家也不清楚。我們希望今年年底能做出10量子比特的演示機器?！?/p>

他說(shuō)，目前最困難的是如何提高量子芯片的操控精度。量子芯片是非常脆弱的系統，蝴蝶扇動(dòng)翅膀的能量都比操控量子的能量高萬(wàn)億億倍，所以屏蔽震動(dòng)、電磁波等造成的環(huán)境噪聲非常關(guān)鍵?！岸@其中特別難做到的是，在提高操控的量子比特數目的同時(shí)，還要屏蔽噪聲?！?/p>

潘建偉認為，中國科學(xué)家10年內可以做到100個(gè)量子比特的操縱，這樣就可以研制出在某些方面有實(shí)用價(jià)值的量子計算機，它的計算能力可以達到現在全世界計算能力總和的百萬(wàn)倍。

人類(lèi)對計算能力的需求永無(wú)止境。第一臺經(jīng)典計算機剛問(wèn)世時(shí)，IBM的創(chuàng )始人托馬斯?沃森曾說(shuō)，全世界只需要5臺計算機就夠了。但現在每人都至少需要一臺。

那么未來(lái)人人都會(huì )有量子計算機嗎？

潘建偉預測，全世界有幾萬(wàn)或者幾百萬(wàn)臺量子計算機?！暗俏壹依锟隙ú恍枰幸慌_，把手機、筆記本電腦造成低溫很困難。但我可以使用云計算，通過(guò)量子通信把需要計算的任務(wù)發(fā)送到云端?！?/p>

“傳統計算機已經(jīng)能算得很好的問(wèn)題，我們就不需要用量子計算機。我們要解決的是經(jīng)典計算機解決不了的問(wèn)題，例如破譯密碼、天氣預報、藥物設計。量子計算還能大力推動(dòng)人工智能的研究?！迸私▊フf(shuō)：“以后是否有通用的量子計算機，現在還很難說(shuō)，可能將來(lái)的量子計算機跟我們現在想象的都不一樣?！?/p>

摘自 新華網(wǎng)