日本科學家中村泰信和同事在24年前演示了世界上第一個超導(dǎo)量子比特，極大地推動了量子計算領(lǐng)域的可擴展性，讓人們看到量子計算未來落地的巨大潛力。最近，他又領(lǐng)導(dǎo)建造了日本第一臺量子計算機。Credit: RIKEN
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在科學漫長的歷史中，“小幅”進步的積累起著至關(guān)重要的作用。如果我能為之增加一點點增量，我會很高興。我并不希望成為科學的霸主。所以，如果有人能認可我的工作，并在我的成果基礎(chǔ)上開展他們的工作，我已非常滿足。我沒什么野心，除了建造量子計算機！
——中村泰信，物理學家，2021年“墨子量子獎”得主
量子沙龍｜來源
1997年秋天，29歲的日本電氣公司（NEC）研究員中村泰信(Yasunobu Nakamura）和同事在《物理評論快報》（Physical Review Letters）報告了一個新發(fā)現(xiàn)：他們在一個微米大小的超導(dǎo)電路中，觀察到了量子疊加的證據(jù)[1]。
中村泰信對此感到十分興奮。他一直對量子物理和量子現(xiàn)象充滿興趣，這個實驗解答了他的一個重要疑問：能否在尺寸遠遠大于原子的宏觀器件中，創(chuàng)建量子疊加態(tài)。中村泰信意識到，他的超導(dǎo)器件經(jīng)過改造，很有可能實現(xiàn)量子比特。那么，什么是量子比特？量子計算又是什么？中村泰信之前并不了解這些術(shù)語。然而，他忍不住開始著手研究這些概念，然后跳入了量子計算的世界，一個充滿奇妙可能性的兔子洞。一年半后，他和同事通過一個巧妙的實驗，成功展示了第一個真正意義上的超導(dǎo)量子比特。他們的研究結(jié)果發(fā)表在《自然》雜志[2]，轟動世界。“當我們第一次進行超導(dǎo)量子比特實驗時，這是首次在固態(tài)器件中實現(xiàn)量子比特的相干控制。這就是人們興奮的原因。人們更容易想象這種技術(shù)未來的發(fā)展，就像（已有的）大規(guī)模集成電路一樣?！?023年秋天，在合肥舉行的第二屆新興量子技術(shù)國際會議（ICEQT2023）的間隙，中村泰信向我回憶道。現(xiàn)年55歲的中村泰信，是東京大學應(yīng)用物理系的教授，同時也擔任日本理化學研究所（RIKEN）量子計算中心的主任。他在2023年3月成功建造出日本的第一臺量子計算機[3]。
他與米歇爾·德沃雷（Michel Devoret）、約翰·克拉克（John Clarke）一起榮獲2021年“墨子量子獎”——一項由中國企業(yè)家捐贈的量子信息和量子技術(shù)領(lǐng)域的國際學術(shù)獎項，以表彰他們在開創(chuàng)超導(dǎo)量子電路和量子比特領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)作用。
2023年9月底，他從日本來到合肥，參加第二屆新興量子技術(shù)國際會議，并出席了因新冠疫情推遲了一年多的“墨子量子獎”頒獎典禮。
頒獎典禮第二天，中村教授準時出現(xiàn)在了會場外的走廊上。
他的頭發(fā)自然灰白，整齊利落，身穿藏青色的夾克衫，搭配卡其色的休閑褲，腳下是透氣的棕色涼鞋，深色襪子隱在鞋后，給人一種親切而放松的感覺。
中村教授告訴我，在1997年的時候，他從未想過自己會涉足量子計算領(lǐng)域?！拔耶敃r無法預(yù)測自己未來幾年會做什么，”他說。同樣地，如今他也無法預(yù)測未來是否會實現(xiàn)通用量子計算，也不知道何時可能會發(fā)生，盡管許多機構(gòu)都已經(jīng)制定了看似清晰的發(fā)展路線圖?！巴黄剖菬o法預(yù)測的。”
他說，量子計算是物理和技術(shù)領(lǐng)域的終極挑戰(zhàn)之一， 因為我們知道自然遵循著量子力學的規(guī)則?！叭绻覀兡軌蛟诹孔恿W的層面控制一切，我們就可以做到無所不能?！?/span>
“因此，量子計算和其它量子技術(shù)實際上是在最基本的原理層面操縱自然，進行精細的控制。這可以說是我們的終極技術(shù)?！敝写褰淌谡f，“我認為這正是這個領(lǐng)域如此令人興奮和充滿挑戰(zhàn)的原因。我很高興能參與其中?！?/span>
1987年，是高溫超導(dǎo)領(lǐng)域值得紀念的一年。這一年，兩項重大事件接踵而至，將高溫超導(dǎo)推上了科學界的巔峰。
首先是當年春天，美國華裔科學家朱經(jīng)武與中國臺灣物理學家吳茂昆把臨界超導(dǎo)溫度提高到90K以上，突破了液氮的“溫度壁壘”（77K）。中國大陸科學家趙忠賢領(lǐng)導(dǎo)的研究組，獲得了100K以上的超導(dǎo)體。日本科學家則獲得了123K的超導(dǎo)體。接著，兩位發(fā)現(xiàn)一種陶瓷性金屬氧化物存在超導(dǎo)電性的科學家柏諾茲（J.Georg Bednorz）和繆勒（K.Alexander Muller）獲得1987年的諾貝爾物理學獎。也是他們二人，在1986年1月首先報告成功將超導(dǎo)現(xiàn)象出現(xiàn)的溫度提到了30K。超導(dǎo)電性是指材料在低于某一溫度時，電阻變?yōu)榱愕默F(xiàn)象。超導(dǎo)領(lǐng)域的挑戰(zhàn)在于，自超導(dǎo)性在1911年首先被發(fā)現(xiàn)，超導(dǎo)現(xiàn)象出現(xiàn)的臨界溫度都極低，如果能夠找到溫度更高的超導(dǎo)材料，其應(yīng)用場景將充滿想象力。這些重大突破的發(fā)生，讓人們看到了超導(dǎo)研究進入高溫超導(dǎo)時代的可能性。回到1980年代末，高溫超導(dǎo)研究的繁榮景象，吸引了大批年輕人加入這一領(lǐng)域，也包括中村泰信。“當時高溫超導(dǎo)研究熱潮洶涌，仿佛全世界的科學家都在研究高溫超導(dǎo)。”中村教授回憶道，“我就是在發(fā)現(xiàn)不久后的1989年加入了那個團隊，我們?nèi)匀粚Ω邷爻瑢?dǎo)充滿興奮。連續(xù)三年，我都在鉆研這個領(lǐng)域?！?/span>碩士畢業(yè)后，中村泰信加入NEC公司的基礎(chǔ)研究實驗室，在那里研究納米級的電子器件。其中一種器件是單電子晶體管，它在兩個引線之間有個不到一微米大小的“盒子”電極。因為電荷效應(yīng)通過隧道結(jié)的電子流，經(jīng)連接兩個電極的“盒子”，強制一個一個穿過。需要注意的是，與單個原子和電子相比，單電子晶體管仍然大了四到五個數(shù)量級。一個意外的發(fā)現(xiàn)是，當冷卻到低于1K的溫度時，鋁制的單電子晶體管會變成超導(dǎo)體。然后，電流由成對移動的電子組成——這些在超導(dǎo)狀態(tài)下出現(xiàn)的特殊電子對，被稱為“庫珀對”。這時，單電子晶體管就變成了單庫珀對晶體管，逐個輸運庫珀對。“當我們研究這種器件在超導(dǎo)狀態(tài)下的行為時，我們產(chǎn)生了創(chuàng)造量子疊加的想法, 僅僅是出于對物理的好奇心?！敝写褰淌谡f，“正如我昨天在演講中提到的，長期以來存在一個問題，即我們是否能夠在宏觀物體中實現(xiàn)量子疊加，這是物理學中的一個基本問題?！?/span>量子疊加是量子力學中的一個概念，用來描述光子、原子和電子等微觀粒子可以同時處于兩種或多種狀態(tài)的奇怪行為。舉例來說，一個電子可以同時存在于這里和那里，但直到我們測量它，它才會確定為其中一種狀態(tài)。在數(shù)學上，這種微觀粒子的奇特性質(zhì)可以用薛定諤方程來表示。1985年，理論物理學家安東尼·萊格特（Anthony J. Leggett）提出，可以利用一種含有約瑟芬森結(jié)的超導(dǎo)器件來觀察宏觀尺度上的量子現(xiàn)象（macroscopic quantum phenomena），也就是宏觀尺度下的量子力學效應(yīng)。約瑟夫森結(jié)是由兩塊超導(dǎo)體和中間一個極薄的絕緣層組成的固態(tài)器件。在這個結(jié)構(gòu)中，一塊超導(dǎo)體中的庫珀對可穿過絕緣層進入另一超導(dǎo)體中，這是特有的量子力學的隧穿效應(yīng)。中村泰信和同事設(shè)法觀察到，在微波輻射下，由一個約瑟夫森結(jié)和另一個連接到庫珀對盒的外部偏置隧道結(jié)組成的“庫珀對盒”電路，其電流峰值可以隨著微波頻率的變化而改變，揭示了能級的分裂，成為一個二能級系統(tǒng)。 這些實驗結(jié)果顯示，庫珀對盒的兩個電荷數(shù)狀態(tài)可以相干疊加。這篇論文發(fā)表在1997年9月的《物理雜志快報》上。隨后，來自德國（1997年9月，1999年3月）[4]、美國（1998年6月）[5]和法國（1998年1月）[6]的多個小組預(yù)言，單庫珀對盒可以用來制造量子比特。如今，中村教授可以非常輕松地向我介紹，量子比特是量子信息處理一個非?；?、必不可少的部分，正如比特在經(jīng)典計算機中的作用一樣。在經(jīng)典計算機中，我們使用比特來處理信息，一個比特表示0或1?！氨忍厥怯镁w管表示的，例如，晶體管是否打開，意味著電流是否通過晶體管（這樣可以來表示0或1）?！敝写褰淌谡f。而在量子計算機中，處理信息需要用到量子比特?！芭c經(jīng)典比特相比，量子比特可以表示它們的疊加態(tài)，不僅是0或1，而且有時是0和1，這就是疊加態(tài)，一種非常反直覺的狀態(tài)，它使我們感到困惑。但是，如果你相信量子力學，那么就知道疊加態(tài)是量子力學的基本屬性，量子比特可以支持0和1的疊加態(tài)?！敝写褰淌诮忉屨f。然而，在中村教授還是學生的時候，“還沒有‘qubit’（量子比特）這個詞”。關(guān)于量子計算的起源，人們津津樂道的，是著名物理學家理查德·費曼(Richard Feynman) 1981年在美國麻省理工學院舉行的第一屆計算物理學會議上做的一個預(yù)言[7]。他當時指出，沒有任何經(jīng)典計算機可以模擬大型量子系統(tǒng)，也許只有利用量子力學，我們才能模擬出一個量子世界。盡管量子計算的概念聽起來很有道理，但相關(guān)研究一直不溫不火。直到1994年，美國貝爾實驗室的數(shù)學家Peter Shor 提出量子算法[8]，用于質(zhì)因數(shù)分解，使得量子計算機有可能做出超越經(jīng)典計算機的任務(wù)。這引發(fā)了人們對量子計算的廣泛興趣。很快，許多來自物理學不同領(lǐng)域的人開始思考如何實現(xiàn)量子計算機。光學和原子、核磁共振以及固態(tài)物理學領(lǐng)域的研究者紛紛涌入了這個領(lǐng)域，他們相繼利用困在電磁場中的離子、原子核的自旋、甚至核磁共振的分子等實現(xiàn)了量子比特。然而，這些早期的進展發(fā)生在不同的領(lǐng)域，主要集中在歐洲和美國，而當時身在日本的中村泰信并沒有完全了解這些進展，甚至在 1997 年秋季發(fā)表的論文中，他和同事根本沒有提到“量子比特”（qubit）這個詞。中村教授回憶道，“我聽到了一些傳聞，然后我明白了我們的設(shè)備可以用作量子比特。所以，那是我進入這個領(lǐng)域的方式……在那之前，我周圍沒有人認真討論量子計算。”最終，中村泰信和尤里·帕什金（Yuri Pashkin）、蔡兆申利用包含約瑟夫森結(jié)的超導(dǎo)電路，來控制“電荷量子比特”的基態(tài)和激發(fā)態(tài)之間的相干疊加，并觀察到兩種狀態(tài)之間的量子振蕩，這是固態(tài)器件中量子比特的首次演示。“1999年，我在麻省理工學院（MIT）（訪問）時，我們被來自日本的一個驚雷‘炸’到了。來自NEC的蔡兆申和中村團隊在《自然》（Nature）雜志上發(fā)表了一篇題為‘單庫珀對盒中宏觀量子態(tài)的相干控制’的論文。通常情況下，我們對我們領(lǐng)域的實驗室中發(fā)生的事情了如指掌，即使工作還沒有發(fā)表。NEC 小組當然是眾所周知的，但更遙遠，不僅僅是字面意義上的遙遠。”2017年，荷蘭物理學家漢斯·莫伊（Hans Mooij）[9]在一篇回顧超導(dǎo)量子比特發(fā)展歷史的文章中回憶道。莫伊是代爾夫特理工大學(TU Delft)榮譽教授，曾經(jīng)擔任卡維理納米科學研究所首任所長，長期從事納米尺度量子效應(yīng)的研究。此外，當時的人們對于固態(tài)量子比特的可能性并不太看好，因為與單個離子、原子、分子相比，固體系統(tǒng)包含大量電子，與周圍許多不可控制的自由度相互作用。理論上，要選擇一個特定的自由度進行操控更加困難。然而，無論是俘獲的離子，原子，還是核磁共振分子，都是在真空或液體中實現(xiàn)量子比特。如何將它們與現(xiàn)有的經(jīng)典計算機基礎(chǔ)設(shè)施相結(jié)合，以進行控制以及擴展它們，即增加量子比特的數(shù)量，也存在許多實際挑戰(zhàn)。第一個超導(dǎo)量子比特在固態(tài)器件上的成功演示，讓人們看到量子計算未來落地的巨大潛力。“要構(gòu)建計算機，我們需要很多很多的量子比特，對吧？不僅僅是單一的、少數(shù)的量子比特。但是要把數(shù)百萬個量子比特集成在一起，人們很難想象，就像要把數(shù)百萬個原子精確對齊一樣。但當時，硅技術(shù)已經(jīng)非常普遍地用于晶體管和計算機芯片。因此，想象在芯片上構(gòu)建量子計算機要容易得多。這才是它吸引了大量關(guān)注的原因?！敝写褰淌谡f。但是，中村泰信對于超導(dǎo)量子比特的前景并不樂觀。存儲在量子比特中的信息只能存活最多1納秒，相當于1秒的十億分之一。如此短暫的時間，意味著只能執(zhí)行幾次量子門操作，然后信息就會丟失，更不用說模擬復(fù)雜的量子力學世界了。如今，在全球科學家的不斷努力之下，超導(dǎo)量子比特的壽命已經(jīng)大大延長。事實上，它們最近可以持續(xù)數(shù)百微秒，比24年前整整提高了六個數(shù)量級。更長的壽命意味著科學家可以做更多的精細操作，從而幫助解決更復(fù)雜的問題。
直到今天，中村教授仍然認為，演示第一個超導(dǎo)量子比特是超出了他預(yù)期的事件，而能發(fā)生這樣的事情，是因為他遇到了好人。
“我的職業(yè)生涯在很大程度上歸功于我的朋友和同事，如 Michel Devoret和John Clarke。從我研究的非常早期的階段開始，我就認識了這些領(lǐng)域的偉大人物，他們總是非常友善，樂于助人。正因為如此，我才取得了良好的結(jié)果。我認為不僅在科學方面，而且在生活中，結(jié)識好人很重要。”中村教授說。Michel Devoret是法國物理學家，現(xiàn)為耶魯大學應(yīng)用物理和物理學教授。他曾經(jīng)在加州大學伯克利分校John Clarke教授的實驗室做博士后研究，研究宏觀量子隧穿效應(yīng)。1985年，他和Clarke教授，以及Clarke教授當時的博士生John Martinis共同證明了約瑟夫森結(jié)電路中能級的量子化。之后，他回到法國，在薩克雷原子能委員會 (CEA) 從事量子力學電子學方面的研究。2002年加入耶魯大學。中村教授說，Devoret教授和Clarke教授在1980年代就開始研究宏觀系統(tǒng)中的量子力學了?！八麄儗α孔恿W感興趣，而不是量子計算，因為那時還沒有量子計算……后來，他們也開始研究單電子晶體管，這是我在 NEC 剛開始時做的工作。當我剛到NEC 工作時，基本上周圍沒有人熟悉那個領(lǐng)域。所以，我不得不從國外大學和研究機構(gòu)的論文和博士論文中學習。Michel Devoret 的團隊是世界頂級團隊之一。所以，我從他們的出版物中學到了很多東西?！?/span>直到1996年，中村泰信第一次前往歐洲旅行，才見到了Michel Devoret教授?！皬哪菚r開始，我們就有了很多交流，所以我們知道他們在做什么，他們也知道我們在做什么。但一開始，沒有人談?wù)摿孔佑嬎?，因為它還不那么普遍。我們只是對物理學和宏觀尺度上的量子疊加有共同的興趣?！?/span>1999年，Michel Devoret教授訪問了中村泰信所在的NEC實驗室，那時中村泰信和同事恰好剛剛完成第一個超導(dǎo)量子比特的實驗?！拔蚁騇ichel展示了結(jié)果，他當時非常興奮……我真的很高興與Michel 和John一起獲得墨子量子獎。我們從未直接合作過，也從未共同撰寫過論文，但我們一直在同一個領(lǐng)域工作，并且分享了很多想法。我們就像合作者一樣?！敝写褰淌谡f。中村教授說，他遇到的另外一位好人，是荷蘭代爾夫特理工大學的物理學家Hans Mooij?！爱斘以?NEC 開始單電子晶體管研究時，我從其他團隊學到了很多東西，代爾夫特是當時世界上最強大的團隊之一，類似于Michel Devoret的團隊?！敝写褰淌谡f。2001年，在荷蘭代爾夫特大學訪問的中村泰信，本圖由受訪者提供大約在1995 年，中村泰信與在日本訪問的Mooij結(jié)識。六年后，當中村泰信有機會學術(shù)休假一年時，他想到了三個可以訪問的課題組，分別是代爾夫特團隊、薩克雷的Devoret團隊、瑞典的查爾默斯大學。最后，他選擇了去代爾夫特?！耙驗樗麄兲岢隽肆硪环N類型的超導(dǎo)量子比特。我想嘗試一些不同的東西。我認為這是一個很好的去處?！?/span>從2001年到2002年，中村泰信和Mooij的合作取得了超導(dǎo)量子計算的重大突破：2002年夏天，他們首次實現(xiàn)了對磁通量子比特（Flux qubit）的相干控制。這種類型的超導(dǎo)量子比特，在相干性方面優(yōu)于電荷類型的超導(dǎo)量子比特，可以運行的時間更長。
2002年夏天，中村泰信和Hans Mooij合作，
首次實現(xiàn)了對磁通量子比特的相干控制，本圖由受訪者提供
關(guān)于經(jīng)典計算機的發(fā)明，一般認為是數(shù)學家引領(lǐng)的信息革命。無論是阿蘭·圖靈，還是馮·諾伊曼，他們首先都是數(shù)學家，通過邏輯運算和程序思維，為經(jīng)典計算機的發(fā)明奠定了基礎(chǔ)。到了量子計算，人們通常認為這是由物理學家主導(dǎo)的一場革命。
中村教授說，“也許從外界角看，量子計算研究似乎基本上是由物理學家領(lǐng)導(dǎo)的，這實際上是因為只有物理學家對關(guān)心量子力學有深刻的興趣?！?/span>
他繼續(xù)說道，“也許最初將量子力學應(yīng)用于計算的想法來自物理學家。但后來，更多的計算機科學家和數(shù)學家加入了這項研究。這非常重要，因為物理學家通常不會像他們那樣深入理解計算。你知道 Peter Shor，他更多的是數(shù)學家，而不是物理學家?！?/span>“所以，實際上，我認為量子計算和量子信息的研究領(lǐng)域是一個非?？鐚W科的領(lǐng)域，這也是我最喜歡的地方，因為這是一個新領(lǐng)域，許多來自不同領(lǐng)域的人加入其中。與來自不同領(lǐng)域的人交談是非常令人振奮和興奮的。”中村教授說。他表示，一開始，他們遇到了語言障礙，因為來自不同領(lǐng)域的人使用不同的術(shù)語來表達類似的概念?！坝袝r很難理解彼此。但在同一個新領(lǐng)域一起工作后，我們開始使用量子信息科學的新語言更好地相互交流。這確實創(chuàng)造了新的想法和新的突破?！?/span>作為一名實驗物理學家，中村泰信喜歡與研究理論的同事交流?！霸谖覀兊腞IKEN 量子計算中心，我們有幾個由理論家領(lǐng)導(dǎo)的理論團隊。在我的研究小組中，雖然沒有100%的理論家，但有些人擅長做理論工作。我一直很喜歡與理論家合作，因為作為一名實驗物理學研究者，我的方法有點更像是一種直覺的方法。我不擅長寫出嚴格的理論。所以，我需要合作?！?/span>他解釋說，量子計算需要大量不同層次的技術(shù)專業(yè)知識，每個層次涉及理論和理論學家。理論物理學家與實驗物理學家之間的密切合作，對于建立理論，描述實驗和理解基本物理非常關(guān)鍵。自2018年以來，中村泰信一直擔任日本“量子飛躍旗艦計劃”（Q-LEAP）下的“超導(dǎo)量子計算機[10]研發(fā)項目”的負責人，致力于超導(dǎo)量子計算的實現(xiàn)。
Q-LEAP是日本政府投資的一個大規(guī)模量子技術(shù)項目，包括量子計算、量子測量與傳感、下一代激光器等。中村教授介紹說，日本與中國、美國等國家一樣，加大了對量子技術(shù)的投入，這一變化正是始于2018年的Q-LEAP計劃。
他認為，日本量子計算領(lǐng)域面臨的一個重要挑戰(zhàn)是，政府已經(jīng)投入了大量資金到這個領(lǐng)域，但需要更多的人員來運行項目。他也表示，這一挑戰(zhàn)不僅是日本所特有的，而是全球社區(qū)所面臨的。“由于量子計算和量子技術(shù)是真正的新興領(lǐng)域，而且發(fā)展很快，人力資源供給還不夠。所以，每位教授，每一個小組負責人都在尋找優(yōu)秀的研究員、博士后和學生。此外，現(xiàn)在還有許多初創(chuàng)公司和大企業(yè)，他們也正在大量招聘人才。這意味著競爭非常激烈?！敝写褰淌谡f。因此，他認為，鼓勵更多的人加入量子領(lǐng)域非常重要。“也許還不是在日本，但在一些國家，他們已經(jīng)在大學中開設(shè)了量子技術(shù)系，以培養(yǎng)更多的學生。這是很重要的?！?/span>當被問及給對量子計算感興趣的年輕人的建議時，中村教授考慮了一會兒，然后說道：“量子科學領(lǐng)域既有趣又充滿挑戰(zhàn)。我認為這是一個非常好的共同工作的領(lǐng)域，不僅僅是對這個領(lǐng)域，對做一般研究來說也是如此?！?/span>他認為，堅持和韌性對于追求量子計算事業(yè)來說非常重要?！笆紫龋覀儾粦?yīng)該害怕失敗，因為在研究中，我們無法預(yù)測未來，也無法保證成功。通常情況下我們會失敗很多次，但有時我們也會成功，這需要辛勤的工作和持續(xù)的努力?！?/span>他繼續(xù)說道：“但是，如果你有很好的朋友和良好的合作伙伴，那將讓你的生活輕松許多。與他人的討論和交流總是帶來新的想法和新的線索。這是我在科學中最喜歡的部分。我總是喜歡與人們交談，即使是像你這樣的記者。”作為一項國家項目的負責人，中村教授認為量子計算是一個需要個體科學家和團隊之間大量合作的研究領(lǐng)域。“當然，政府希望促進國際合作，有時他們制定一些自上而下的合作計劃。但我認為這種合作研究應(yīng)該更多地通過自下而上的方式自發(fā)進行。最終，真正做實際工作的人是研究人員。因此，我認為最重要是從事這項工作的人之間的互動。當然，如果有了一些總體方案來簡化合作流程，那就更好了。”他還提到，過去幾年的COVID-19大流行使旅行變得困難，這確實令人難過。此外，地緣政治問題也對科學家的正常交流和合作產(chǎn)生了巨大影響，“我對這種情況非常不滿。”“我認為如果不相互交流，這對我們?nèi)蚩茖W和技術(shù)的發(fā)展非常不利。在中國，我看到正在取得巨大的進展，在美國、歐洲和日本也是如此。如果彼此斷開了連接，那將會非常糟糕。所以我很高興被邀請來到這里。當我收到邀請的電子郵件時，我立即就答應(yīng)了?！敝写褰淌谡f。2023年3月，中村教授帶領(lǐng)的RIKEN量子計算中心推出了一臺64比特的超導(dǎo)量子計算機[11]，這是日本建造的第一臺超導(dǎo)量子計算機。今年，也就是2024年，中村教授告訴我，他們團隊將把它擴展到 144 個量子比特。
日本第一臺國產(chǎn)超導(dǎo)量子計算機https://www.riken.jp/pr/news/2023/20231005_1/index.html
他承認，在擴展方面，他們可能無法一些國際巨頭競爭——有的公司已經(jīng)在運行超過一千個量子比特的計算機[12]，但他仍然對開發(fā)擴展量子比特的架構(gòu)或方法感興趣。
“在大多數(shù)情況下，隨著芯片尺寸的增加，（量子比特的）布線布局無法簡單地進行擴展……在我們的方法中，我們設(shè)計了一種自下而上的垂直布線架構(gòu)，這樣使得擴展變得簡單。我們定義了一個2×2的四量子比特單元。對于64量子比特，我們只需將它們平鋪16次。要制造144量子比特，我們只需更多的單元格，”他解釋說。他也承認，雖然垂直布線的設(shè)計很有意思，但要實際擴展仍然非常具有挑戰(zhàn)性。這就像我們知道量子計算的路線圖可能是什么樣，但現(xiàn)實的進展可能是另外一回事。在國際學術(shù)界，量子計算機研究有三個重要的里程碑階段，首先，實現(xiàn)“量子計算優(yōu)越性”；其次，開發(fā)量子模擬機，可以解決超級計算機無法勝任的問題，如量子化學、新材料設(shè)計、優(yōu)化算法等；第三，研制可編程量子原型機，包括可編程的通用量子計算原型機。當中村教授在2023年ICEQT會議中做墨子量子獎獲獎人的報告時，他提到了IBM公司關(guān)于量子計算擴展的路線圖，并介紹了量子計算發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)，例如量子糾錯，量子退相干、噪音和干擾。“老實說，我自己沒有這么明確的路線圖，因為我們有許多挑戰(zhàn)需要解決。其中一些看起來非常困難，我還不知道如何解決。顯然，我們需要更多的突破，但突破是無法預(yù)測的。幸運的是，它們通常會通過社區(qū)中的人們的累積努力最終發(fā)生?！?/span>中村教授強調(diào)，半導(dǎo)體行業(yè)會根據(jù)技術(shù)細節(jié)和社區(qū)輸入共同建立路線圖，但在量子技術(shù)領(lǐng)域，“我們的技術(shù)成熟度仍然遠遠不夠。所以，預(yù)測未來并不容易?！?/span>盡管存在這些不確定性，他從未對自己研究的重要性表示過絲毫的懷疑，而是談到了他對作為一名物理學家能夠研究量子物理的深切感激和欣賞：“量子物理學是如此奇怪，它告訴我們一些意想不到的事情。這是這個領(lǐng)域的有趣部分……”“在科學漫長的歷史中，‘小幅’進步的積累起著至關(guān)重要的作用。如果我能為之增加一點點增量，我會很高興。我并不希望成為科學的霸主。所以，如果有人能認可我的工作，并在我的成果基礎(chǔ)上開展他們的工作，我已經(jīng)非常高興了。我沒有別的大抱負，除了建造量子計算機?。↖ don’t have any big ambitions, except for building a quantum computer!）”
致謝：感謝曹思睿博士對本文的討論與修改建議，感謝王雨丹對本文采訪部分內(nèi)容所做的校對。
本文首發(fā)于微信公眾號”墨子沙龍“，原標題為“第一個超導(dǎo)量子比特：中村泰信的奇幻之旅”，《賽先生》獲授權(quán)轉(zhuǎn)載。
原文鏈接：https://mozi.ustc.edu.cn/detail/1107
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