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| 本文作者： 包永剛 | 2018-05-15 16:30 |
雷鋒網消息，繼5月8日阿里巴巴量子實驗室施堯耘團隊宣布成功研制出當前世界最強的量子電路模擬器太章之后。最新一期美國《科學進展》雜志以《A chip that allows for two-dimensional quantum walks》為題報道了上海交通大學金賢敏團隊通過“飛秒激光直寫”技術制備出節點數達49×49的光量子計算芯片。據悉，這是目前世界上最大規模的三維集成光量子計算芯片。
量子計算機與傳統計算機不同，量子計算是使用量子比特來存儲數據，并且量子不像半導體只能記錄0與1而是可以同時表示多種狀態，量子計算的優勢在于，一個40位的量子計算機能在很短時間內解開1024位計算機花數十年才能解決的問題。因此可以看到近年來國內外科技巨頭都在爭相研究通用量子計算機，IBM、谷歌、英特爾等也相繼宣告實現了更高的量子比特數紀錄，但業界共識是即使做出幾十甚至更多量子比特數，沒有做到全互連、精度不夠并且無法進行糾錯也無法實現通用量子計算。
量子芯片具有可見的波導結構
二維自由演化的量子行走在實驗中首次實現
過去20年里增加絕對計算能力的方式通常是制備更多光子數的量子糾纏，中國在這方面也一直保持優勢，成功將光子數從 4 個提高到了 10 個，但增加光子數異常艱難。
不過，金賢敏表示，模擬量子計算不同于通用量子計算，可直接構建量子系統，無需像通用量子計算那樣依賴復雜的量子糾錯，一旦能夠制備和控制的量子物理系統達到新尺度，將可直接用于探索新物理和在特定問題上推進遠超傳統計算機的絕對計算能力。
因此金賢敏團隊另辟蹊徑，通過增加量子演化系統的物理維度和復雜度來提升量子態空間尺度，開發了更加可行的全新量子資源，通過飛秒激光直寫技術制備了節點數多達 49×49 的三維光量子計算芯片，這種目前世界最大規模的光量子計算芯片使得真正空間二維自由演化的量子行走得以在實驗中首次實現。
具體來說，金賢敏團隊通過發展高亮度單光子源和高時空分辨的單光子成像技術，直接觀察光量子的二維行走模式輸出結果。實驗驗證量子行走不論在一維還是二維演化空間中都具有區別于經典隨機行走的彈道式傳輸特性（ballistic transport），這種加速傳輸正是支持量子行走能夠在許多算法中超越經典計算機的基礎。
瞬態網絡特性（transient network）理論曾指出只在大于一維的量子行走中才實現，以往準二維量子行走實驗在受限的量子演化空間無法觀測網絡傳播特征。金賢敏團隊的研究首次在實驗中成功觀測到了瞬態網絡特性，進一步驗證了所實現的量子行走的二維特征。
另據雷鋒網了解，金賢敏長期致力于光子芯片、量子存儲、量子信息等方面的研究。2010年起赴英國牛津大學物理系做博士后，在光存儲和光子芯片方面取得了一系列有重要影響力的研究成果。2012年同時獲得歐盟授予的“瑪麗居里學者”（Marie Curie Fellow）和牛津大學“沃弗森學院學者”（Wolfson College Fellow），并獲資助依托牛津大學獨立開展光存儲和量子網絡的實驗研究。2013年起開始在上海交通大學組建光子集成與量子信息實驗室，成為國內最早開展飛秒激光直寫光量子芯片研究的單位之一。2014年11月辭去牛津大學的職位全職回到上海交通大學工作至今。
國內外巨頭爭相布局量子計算
需要指出的是，量子信息技術已經經歷了廣泛的原理性驗證，但能否走出實驗室實現商用取決于我們是否能夠構建和操控足夠大規模的量子系統。發展的光量子集成芯片技術無疑是攻克可擴展性難題有前景的途徑，除此之外我們也看到了國內外科技巨頭的積極參與。
國外巨頭
IBM
作為在商業化上走得更遠的企業，IBM 在2016 年就開發出了具有 5 位量子比特的量子計算機，把它提供出來作為量子計算云服務，供研究者使用。2017 年 11 月，IBM 宣布發布新型的 20 位量子比特的量子計算機，同樣作為云服務對外提供，并且是正式商業化的產品。
IBM 還表示，他們的研究人員們已經成功開發出了一臺 50 位量子比特的原型機。以往觀點認為達到 50 位量子比特的量子計算機就可以模擬傳統計算機的所有操作，但它的商業化日程尚未可知。
微軟
微軟在 2005 年就已經開始鉆研量子計算技術。當時微軟悄悄成立了「Station Q」實驗室，負責人是數字家 Michael Freedman。同年微軟的一支研究團隊就提出了一種在半導體-超導體混合結構中建造拓撲保護量子比特的方法。微軟隨后投資了數個團隊進行嘗試。
到了2016 年，微軟宣布計劃斥巨額資源開發量子計算機的原型產品。2018年3 月 29 日凌晨微軟宣布：荷蘭代爾夫特理工大學的微軟研究員通過由半導體材料和超導材料制作的納米線材，發現馬約拉納費米子（Majorana fermion）的存在證據。
繼發現 Majorana 粒子存在證據的研究之后，微軟下一步會將費米子轉化為量子，并希望在今年年底實現這一目標，在 5 年內向其他企業提供可用的量子計算機。
英特爾
對量子計算最大的賭注恐怕來自英特爾，2015 年英特爾宣布將向荷蘭代爾夫特理工大學的量子技術研究項目 QuTech 投資 5000 萬美元。英特爾專注于硅量子點技術（silicon quantum dots），它經常被稱作人造原子。一個量子點量子比特是一塊極小的材料，像原子一樣，它身上電子的量子態可以用 0 或 1 來表示。不同于離子或原子，量子點不需要激光來困住它。
早期的電子點用幾近完美的砷化鎵晶體制作，但研究人員們更傾向于硅，希望能利用半導體產業的巨大產能。QuTech 技術負責人 Leo Kouwenhoven 說：“我認為英特爾屬意于硅，畢竟那是他們最擅長的材料。”但是基于硅的量子比特研究，大大落后于囚禁離子和超導量子技術。
谷歌
2014 年，谷歌把整個加州大學圣芭芭拉分校（University of California, Santa Barbara）研究團隊的全部十幾個人都納入麾下，包括導量子比特專家 John Martinis。隨后John Martinis 團隊宣布已經建成了 9 量子比特的機器，當時是目前世界上可編程的量子計算機中最大的之一，而且他們正在嘗試擴大規模。為了避免大堆纏繞的電線，他們正在 2D 平面結構上重建該系統。據悉該系統會鋪設在一塊晶圓上，所有控制電路都蝕刻在上面。
2016 年 7 月，John Martinis 團隊用了三個超導量子比特來模擬氫分子的基態（ground state）能量，展示了在模擬簡單的量子系統上，量子計算機可以做到和傳統計算機一樣好。Martinis 表示，這個結果預示了擁有「量子霸權」的計算設備的力量。他還認為，谷歌一年造出 49 量子比特計算機的計劃很趕時間，但或許有可能實現。
近日，谷歌量子 AI 實驗室今天發布了新的 72 位量子比特的量子處理器 Bristlecone。雖然目前還沒有看到具體的實驗結果，但這塊芯片的未來有很大潛力，很有可能達成量子計算領域內的重要里程碑。
國內巨頭
百度
2018 年 3 月 8 日，百度宣布成立量子計算研究所，悉尼科技大學量子軟件和信息中心創辦主任段潤堯教授出任百度量子計算研究所所長，直接向百度總裁張亞勤匯報。
依靠百度量子、量子百度的研究規劃，百度計劃在五年內組建世界一流的量子計算研究所，并逐步將量子計算融入到百度業務中。
阿里巴巴
阿里巴巴從 2015 年開始就關注量子計算，并和中科院合作成立了亞洲首個量子計算實驗室。
2017 年 3 月，阿里云公布了全球首個云上量子加密通訊案例，通過建立多個量子安全傳輸域，為客戶提供無條件安全數據傳輸服務。
2017 年 5 月，中科大、中國科學院-阿里巴巴量子計算實驗室、浙江大學、中科院物理所等協同完成參與研發了世界上第一臺超越早期經典計算機的光量子計算機。期間，世界知名量子計算科學家、密歇根大學終身教授施堯耘和匈牙利裔美國計算機科學家馬里奧?塞格德先后加入阿里云量子實驗室。
2018 年 2 月，中科院量子信息與量子科技創新研究院與阿里云宣布，11 量子比特超導量子計算服務在量子計算云平臺上線。這是繼 IBM 后全球第二家向公眾提供 10 比特以上量子計算云服務的系統。
2018年5月，阿里巴巴量子實驗室施堯耘團隊宣布成功研制當前世界最強的量子電路模擬器，名為太章。基于阿里巴巴集團計算平臺在線集群的超強算力，太章在世界上率先成功模擬了 81（9x9）比特 40 層的作為基準的谷歌隨機量子電路，之前達到這個層數的模擬器只能處理 49 比特。雷鋒網了解，太章的創新算法通信開銷極小，得以充分發揮平臺在線集群的優勢，在過去超級計算機上做不了的模擬任務，比如 64（8x8）比特 40 層的模擬，太章只需 2 分鐘即可完成。
騰訊
2017 年 12 月，香港中文大學計算機系任副教授張勝譽以騰訊量子實驗室負責人、杰出科學家的身份正式亮相。他表示，量子實驗室將分別招聘量子方向和 AI 方向的相關人士，希望匯集跟量子相關的算法、復雜性、通訊、模擬、量子物理、量子化學等等各方面的人才，同時也看重量子力學和人工智能的結合。
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