互动科普

在过去20年里，科学家一直在尝试利用微观量子世界的特性，以帮助我们在信息处理和通信能力方面取得飞跃。利用物理学在宇宙中最小的尺度上的一些特性——电子既是粒子又是波，一个物体可以同时处于多个位置，或者即使当两个粒子相距非常远，仍能够维持一种诡异的瞬时连接等等，量子机器可以将以前认为不可思议的计算、通信和测量任务变得稀松平常。仅举一个例子来说，普通计算机“不可破解”的密码，量子计算机就应该能够破解。

同时，量子机器可以用来存储和传递信息，信息的安全性有物理定律来保障。它们还可以用于模拟复杂化学和材料系统中的一些过程，而采用其他方法，这些过程可能很难模拟。量子系统也可以提高世界上最精确的计时器——原子钟的精度，还能够作为微型精密传感器，在原子或分子尺度上测量化学和生物系统的特性，这可以应用到从生物、材料科学到医药的各个领域。

正因为量子技术有这样的潜力，不管是谷歌和英特尔这样的科技巨擘，还是一些刚成立的企业，或是国防部门以及其他政府机构，都在这个领域下了很大的赌注。学术界也备受鼓舞：仅仅在2015这一年，三个主要期刊就刊登了超过3000篇与“量子计算”或者“量子信息”相关的学术论文。

但问题是，科学家目前还没能造出一台能实现上述期望的大型量子计算机。主要困难就在于，这样的一台计算机，顾名思义，必须能够在量子层面运行，可是一旦我们试图建立一个大到能够满足使用需求的计算机，它的量子效应就不可避免地开始消失，转而遵循宏观领域的经典规律。

要建立能在大尺度上保持量子规律的系统，并发挥出量子信息处理的全部威力，很可能需要一种模块化的方法，将小一点的、示意性的量子单元连接起来，同时仍然保持它们的量子本质。最近有些工作已经在小尺度上将这些所谓的模块化方法从理论变为了现实，为实现量子计算机的独特潜力奠定了基础。

可能是0，也可能是1

粒子的量子特性可用于设计先进的计算机，这一建议在20世纪80年代初由一些物理学家和数学家首先提出，比如来自加州理工学院的理查德·费曼（Richard Feynman）和牛津大学的戴维·多伊奇（David Deutsch）。但这个想法一直停留在猜想状态，直到1994年，AT&T贝尔实验室的彼得·肖尔（Peter Shor）证明量子计算机可以用来对大数进行快速的质因数分解，才点燃了人们对这个领域的兴趣。2000年前后，研究人员才用原子、分子或者光子做出了包含几个比特（bit，计算机信息处理的基本单位）的简单系统，第一台基本的量子计算机才算问世。

量子计算相对于经典计算的优势，正是来自于量子粒子的特殊本质。在经典计算中，信息的基本单元为比特，它具有确定的值，要么是1，要么是0，而量子的信息单元（称作量子比特，qubit）则可以同时处于两个状态，即可以同时代表0和1——要么量子比特为0的概率比为1大，要么为0或者1的概率相等，要么是这两种二进制态的任意组合。量子比特具有的这项能力，来源于量子粒子的叠加态现象——即可以同时处于两个位置或者物理状态的能力。

除了能够同时处于两个状态以外，量子比特还可以通过一种叫做纠缠的量子特性彼此连接到一起：所谓纠缠，就是在空间上分开的两个粒子之间仍能保持某种联系，此时对某一个粒子的操作就能影响到其他粒子，这个特性赋予了量子计算机大规模并行处理的能力。一旦一组量子比特处于纠缠态，对其中的一个实施简单操作，就能影响其他量子比特的状态。即使只有少数的量子比特，所有这些相互依赖的0态和1态还有其他叠加态也能产生不计其数的可能结果，形成一个极为复杂的空间。量子计算机可以对一个问题所有可能的解进行有效测试，而经典计算机每次只能测试一种可能，因此量子计算机要比经典计算机高效得多。只需要几百个量子比特，就可以计算出比整个宇宙中粒子总数还多的结果。

目前在很多实验室中，科学家已经能创造出最多使用10个量子比特的小型量子计算系统。然而，随着量子比特数目的增加，把整个系统与外界隔离就会变得越来越困难，而外界的任何干扰都会毁掉量子计算机特有的量子性质。多个状态的量子叠加态只能在孤立的环境下存在，一旦有人贸然地企图观察或者测量叠加态，都会让处于叠加态的粒子瞬间坍缩成为一个单态——只有叠加态中的一种可能留存下来。这时，量子力学效应就消失了，量子比特变为经典计算机中的经典比特。换句话说，量子物体的奇特性质通常只有在非常小的系统中才能显现出来，一旦这些物体与一个更大的整体完全连通，这些奇异性就消失了——这就好比在死忠粉丝看来，一支独立乐队只有在它还鲜为人知的情况下才最美好一样。大的系统通常过于复杂，也无法达到足以保持量子特性的隔离效果，这就是为什么我们不能让一个足球，或者一个生物细胞同时处于两个位置。

模块化的量子系统

因此，问题的关键就是想方法扩大量子系统的规模，而不至于失去必要的量子特性。有一种蛮干的办法，就是简单地增加量子比特，并把它们连接起来，形成大型网络，以期构成一个复杂的量子系统，但当系统到达特定规模的时候，这种方法很有可能失败。加拿大D-Wave系统公司（D-Wave Systems）就是用这种方法将成百上千个单独的量子比特连在一起，而他们建造的机器的结果也证实了上述预测：这些设备并没有展现出任何证据证明它们能够实现大规模量子纠缠，或者在计算速度上优于最好的经典算法。

然而，使用模块化技术可以为实现大规模量子纠缠开辟另一条途径，这种方法类似于商业航空公司管理复杂的航空线路所用的策略。下次你乘坐飞机的时候，可以留意一下飞机上杂志背面给出的航线图，这大致接近于完整规模的量子计算机的样子。航空公司并不会直接将任意两个城市连接起来，那样的话，后勤和管理开销就太高了。他们会利用中心枢纽城市，将非直达的城市连成一整个网络，这样虽然会牺牲掉一些直接连通度，但这更有利于增加更多的目的地，便于管理与发展航线网络。

类似地，一台模块化量子计算机也不会将所有量子比特都两两连接起来。它会把一小部分量子比特作为“中心枢纽”，将各个模块连接起来，就像美国的亚特兰大作为枢纽城市，将美国东南部与其他区域连接起来那样。

模块网络既能保持量子比特之间的相互作用数目是可控的，同时又允许每个模块屏蔽其他外界干扰。尽管这种做法牺牲了直接连通度，但通过成千上万个量子比特的间接协作又得以弥补回来。传统的模块化系统（如多核计算机处理器）在核内核外使用相同种类的连接，但量子模块系统则需要两种或两种以上不同的连接，只有这样，才可以在获得必要的纠缠的同时还能保证模块间的相互隔离。过去10年间，有三种占主导地位的模块化量子计算方案涌现出来，它们使用不同种类的量子比特。本文作者分别建立了这些平台，并相信这些平台将会引领大型量子计算机的发展，使新的信息处理方式成为可能。

原子量子比特

最自然的想法就是用单个原子作为量子比特，其电子能级或者核能级（有时叫做自旋态）可以存储量子信息。原子量子比特从根本上就是可扩展的，因为相同种类的多个原子实际上是完全相同的，并不需要另外匹配设计。激光束可以将原子动量转移到散射光子上面，将其冷却到几乎静止的程度。在这一系列过程中，原子是悬浮在真空腔的自由空间中的，这样就防止了它与外界的相互作用。

中性原子或者带电离子都可以作为量子比特。为了束缚住中性原子量子比特，我们使用汇聚的激光束或者用十字相交形的激光束，即光晶格（optical lattice），全世界许多研究团队都在探索这种方法。尽管在单个量子比特的层次上控制和耦合中性原子很难，但还是有很多道路是充满希望的。

还有一种选择：很多研究组使用带正电的离子，即去掉一个电子的原子做量子比特。离子可以通过电荷斥力强烈地相互作用，而且便于被周围电极产生的电磁场限制住。我们可以用激光冷却固定上百个离子，形成一个由单个原子构成的晶体，其中每个原子都像被弹簧连接起来的钟摆一样做着完全相同的振动，在此基础上，额外的控制激光可以推动离子，并通过离子间的振动使得离子的自旋态纠缠起来，这是当时在奥地利因斯布鲁克大学的伊格纳西奥·西拉克（Ignacio Cirac）和彼得·佐勒（Peter Zoller）于1995年提出的方案。在过去的几十年里，研究人员已经利用这种方法在控制和纠缠单个束缚离子上取得了长足的进步。之后，本文作者门罗和美国标准与技术研究院（NIST）的戴维·J·瓦恩兰（David J. Wineland）以及因斯布鲁克大学的雷纳·布拉特（Rainer Blatt）在高达20个束缚离子量子比特间实现了高质量的纠缠操作。

科研人员探索出了两种方法，以将这些由纠缠离子晶体构成的模块彼此之间连接起来：一种是让离子实体穿过一个由电极组成的复杂的“迷宫”，在物理层面上从一个模块移动到另一个模块，这种方法是2000年由门罗以及瓦恩兰和戴维·吉尔平斯基（David Kielpinski）在NIST的时候提出来的。这些离子可以随着电场波动在空间中游走而保持量子态不被破坏。当离子着陆在第二个模块上时，用激光脉冲可以使它们形成新的纠缠。比如这两个模块各包含50个量子比特，现在它们成为一整块计算模块中的一部分，这就意味着现在有了100个量子比特一起工作，即使两模块之间只有微弱的联系。这种技术叫做离子穿梭（ion shuttling），用该技术连接的模块数目在理论上并没有限制。

这种方法的难点在于如何控制复杂的离子阱。这种阱包含成千上万个精确放置的电极，它们共同完成引导离子穿梭的任务。为了引导离子在电极迷宫中游走，我们必须能够操控所有需要用到的电极的电压。桑迪亚国家实验室和霍尼韦尔国际公司研究出了从硅或者其他半导体材料中可拓展地制造离子阱电极的方法，为离子穿梭技术作出了极大的贡献。

第二种将离子量子比特连在一起的办法不需要移动离子。该方法利用激光激发离子，使其发射与离子相纠缠的光子，随后，这些光子可以在模块之间转移纠缠。这种光学量子相干的方法起源于20多年前因斯布鲁克大学、加州理工学院和哈佛大学的研究人员提出的想法，并已经于10年前由门罗实现。

光子连接技术有一项巨大优势，就是可以实现远距离量子比特的存储与连接，它也可以用在其他量子比特的连接上面，比如中性原子和超导量子比特，我们将在后面讨论。除此之外，光纤网络和开关让我们可以重新选择哪些量子比特需要进入纠缠，这样就可以扩大模块间光子连接的规模。这种策略最主要的难点就是，量子比特－光子之间的关联通常效率低下，因为这需要对光子进行捕捉和引导，必须要经过很多尝试才能成功建立一个连接。目前为止，实验操作上能实现的最快的速度是每秒仅10个纠缠连接。不过，现有技术如果能取得进步，应该可以将这个速度提升好几个数量级。

超导量子比特

尽管原子可能是天生的量子比特，但想更好地控制它们并扩展至一个更复杂的系统，会面临很多工程上的难题。另一种可行的办法就是用由超导材料制成的线路来设计“人工原子”。这些设备包含了很多原子，但是可以像一个单一、可控的量子比特那样运作，用两个相对的态分别对应“0”态和“1”态，比如是否出现一个微波单光子，或者线路中旋转电流的方向是顺时针还是逆时针等等。这样的量子线路具有几个优势：我们可以设计参数来优化其特性，也可以用传统的集成电路生产技术来大规模生产。而且值得一提的是，当温度接近绝对零度时，它们在叠加态中可以保持足够久的时间，能作为相当稳定、不易受干扰的量子比特。在过去15年，这种系统的寿命已经提高百万倍以上。

过去10年间，在超导量子线路方面的工作取得了飞速发展，已经能显示出很多量子计算机的必备特性。不管是学术机构的实验室，还是产业界的参与者（比如Google和IBM），现在都可以制备并使好几个超导量子比特实现纠缠。不仅如此，用一种名为电路量子电动力学（circuit quantum electrodynamics）的技术，我们还可以使用超导传输线路来实现多个量子比特的远距离纠缠，这种技术由本文作者舍尔科普夫，还有他在耶鲁大学的同事米歇尔·H·德沃雷特（Michel H. Devoret）和史蒂夫·格文（Steve Girvin）共同发明。

超导设备天生具有模块化的结构。通过超导线路和测量装置，我们可以将一个大型低温装置中的模块连接起来，并对各个模块实行屏蔽，减少它们之间的串扰和干扰。为了在模块间产生纠缠，耶鲁大学、科罗拉多大学博尔德分校实验天体物理联合研究所（JILA）、加利福尼亚大学伯克利分校以及其他机构的研究人员建造了专门的超导设备用于量子测量。

超导量子比特的模块化方法具有好几个引人注目的特点。首先，我们不需要建造并测试一个巨大的线路，仅仅需要大规模生产和校准不太大的模块，然后用它们来建造更复杂的模块。其次，我们可以排除或者跳过有缺陷的模块，然后重新连线得到不同的结构。我们还在研发微波－光学量子转换器，这样就可以通过光纤将远处的模块连接起来，建造出远程量子网络或者分布式的量子计算机。

固态自旋量子比特

第三类量子比特将量子信息存储在固态材料中的自旋态上。这类的量子比特有好几种不同模式，其中一种很有前景的方法是使用晶体的缺陷来产生量子比特，本文作者卢金，还有很多研究组都在探索这种方法。碳原子组成的金刚石晶体就是这样的一种系统，如果其中某一个碳原子被氮原子替代（相当于掺入了杂质），并且临近氮原子的格点是空穴，这种杂质就被称为氮原子－空位色心（NV center，简称NV色心），使用电磁脉冲可以控制这种类原子杂质的电子自旋。在卢金及其合作者提出的一种方案中，NV色心会对最近的碳原子的核自旋作出响应，并通过粒子间的磁相互作用，产生一个由近邻量子比特构成的团簇态。可是，一个氮原子－空位杂质的近邻碳原子是有限的，所以每个模块包含的量子比特总数目也不可能多于12个。

要想实现规模化，必然需要连接多个NV模块。如果量子比特处于不同的晶格中，我们可以让它们各发出一个光子并利用纠缠光子来它们实现纠缠；而如果多个NV缺陷共处同一个金刚石晶格中，我们也可以利用被称作声子（phonon）的量子振动来将其连接起来，声子可以用来在缺陷之间传递量子信息。

值得一提的是，尽管NV色心量子比特中的信息难以操控，我们仍经常可以在室温条件下做到。在过去10年里，由德国斯图加特大学的约尔格·弗拉希特鲁普（Jörg Wrachtrup）和现任职于德国乌尔姆大学的费多尔·叶列茨科（Fedor Jelezko）发明的观察单个NV色心的技术，能够让科学家操作单个电子自旋量子比特。美国芝加哥大学的戴维·奥沙洛姆（David Awschalom）所领导的团队现在已经可以在纳秒尺度上操控这些量子比特了，这一速度足以与现代经典处理器相媲美。

最近，荷兰代尔夫特理工大学的罗纳德·汉森（Ronald Hanson）及其同事将相距超过1000米的单NV缺陷量子比特用纠缠光子纠缠起来，这与之前讨论的利用光子连接离子阱的办法类似。目前用这种方法建立量子连接的效率还不是很高（在代尔夫特理工大学的实验中，建立纠缠连接的速率仅为每小时几次），但是最近哈佛大学和麻省理工学院的研究者发明了一种使用纳米尺度光学器件的新技术，能大大提高连接效率。由于我们现在已经具备了在单个金刚石晶格缺陷的周围建立几个量子比特并将其保存超过1秒的技术，NV色心已展现出可控大规模模块量子计算结构的巨大潜力。

量子计算的未来

历经20余年的探索和发展，科学家已经在小尺度上实验测试了所有这些模块化量子计算的方法。我们所面临的挑战，就是将这些技术扩展到更大规模的量子比特和模块上，并用它们来做一些有趣的应用。不过我们坚信，我们距离这些目标已经不远了。

量子计算的未来既充满挑战又激动人心。随着量子计算机规模的不断扩大，控制并确认整个系统确实是以量子状态在运行会变得越来越困难。幸运的是，模块化的技术让我们能够在不干扰整个系统的情况下，单独测试并确认单个模块以及模块之间的连线是否运行正常。最近，科学家在这个目标上已经取得了重要的进步。

而且，即使是尺度不那么大的模块化量子计算机也具有独特应用价值。它们自然而然地形成了量子因特网（quantum Internet）的主干。量子因特网是由小型量子处理器经纠缠光子连接而组成的网络，由于光子的损失，通信光纤通常的传播距离只能达到100千米左右，因此中等尺度的模块化量子计算机可以成为量子通信的中继站，大大扩展安全量子通信的范围。

模块化量子机器的元素已被用于一些世界上最为精确的时钟内，而且在基于中性原子和原子离子的新一代光学原子钟里，他们的重要性还将继续提高。科学家还提出用这种时钟形成全球量子网络，以此建立一个实时、单一的国际时标，或者说“世界钟”，它将以空前的稳定性和精度运行。

一个小型的量子网络也可以成为一个精密传感器，在纳米尺度下探测复杂化学和生物系统中的电磁场和温度。比如，研究人员通过开发与固态缺陷有关的电子自旋和核自旋，实现了分辨率为单个原子的磁共振成像。这一技术可以用于对单个分子直接成像，不仅会给生命科学与材料科学带来翻天覆地的变化，也可以为医学诊断和新药开发提供强有力的工具。

关于量子计算是否可能实现的问题已经不用再问了，我们现在要开始着重研究的是量子计算机的大规模架构和它的作用。我们并不知道量子计算机将如何改变世界，但是随着模块化量子计算网络的发展，我们可以拭目以待。

本文译者 贺冉是中国科学技术大学物理学院博士研究生。

本文审校 韩永建是中国科学技术大学、中国科学院量子信息重点实验室教授，研究方向是利用简单的量子系统：离子阱、量子点、量子存储和线性光学来实现量子网络。

商业关系声明：克里斯托弗·R·门罗是离子Q（ionQ）的联合创始人，也是离子Q获权使用的技术的研发者之一。离子Q是一家新成立的公司，主要从事于使用本文所述的方法研制原子型的量子计算机。罗伯特·J·舍尔科普夫是量子线路公司（Quantum Circuits）的联合创始人、股东，也是量子线路公司获权使用的技术的研发者之一。量子线路公司是一家刚成立的公司，从事利用本文所讨论的技术制造超导线路实现量子计算。米哈伊尔·D·卢金是量子钻石科技公司（Quantum Diamond Technologies）的联合创始人、顾问委员会成员，也是量子钻石科技公司获权使用的技术的研发者之一。量子钻石科技公司是一家刚成立的公司，从事于利用本文所述的技术将量子传感器用于医学诊断。