诺奖得主John Martinis：量子计算需要一场属于自己的“工业革命”

近年来，量子信息技术作为现象级科学突破，全世界热议不断，很多国家将其明确为重点支持的科研和工业领域。今年，诺贝尔物理学奖颁发给了3位量子力学方向的科学家，这无疑将推动量子计算及其相关技术迈入新一轮的全球关注热潮。

10月底，谷歌的量子AI团队及合作者在《自然》（Nature）[1] 期刊上发表最新研究成果，报告通过运行非时间序关联函数（OTOC, out-of-time-order correlators）算法实现首个可验证的量子优势，谷歌在博客中将之称为“（quantum echoes）”。研究人员在Willow量子芯片上运行了量子回声算法，完成了一项经典计算机无法完成的任务，且量子计算机的运行速度比经典计算机快13000倍。参与该项目的科学家之一Michel Devoret正是今年诺贝物理学奖的得主之一，同时也是谷歌量子AI部门的首席科学家。他本人评价该成果“标志着向通用型量子计算迈出了全新一步。”

▲谷歌的量子回声登上《自然》封面论文，来源：自然杂志

诚然，量子计算的科研项目如火如荼地展开着，科学家实验室的黑板上写满了全新的量子协议和算法，顶级学术期刊持续发表有关量子计算和技术的新论文。但与此同时，全球量子计算大竞赛正面临着一些新的问题。

最近，今年另一诺奖得主John Martinis在《金融时报》[2] （Financial Times）上发表了题为“Quantum computing needs its own industrial revolution”的文章，一针见血指出关键所在：一方面，新协议和算法不断涌现，另一方面，量子计算机作为硬件本身却“撞上了南墙”，陷入了工程瓶颈。

多少个量子比特才可以？

众所周知，量子计算机的基本单位是“量子比特”（qubit），不同于经典计算机使用的经典比特，前者可同时具有0、1及其线性叠加态。如果能够研发出具有更多量子比特的量子计算机，那么执行任务的速度就会大幅提升，远超经典计算机，效果便如谷歌团队研究所描述一般。

▲来源：CB Insights[3]

然而，不同于经典比特的稳定性，量子比特对环境极其敏感，例如温度、噪声等，极易发生退相干现象，存储的量子信息会瞬间丢失。要克服这一核心物理问题，学界和业界都致力于研发“容错量子计算机”。要实现量子容错（quantum error correction），需要用至少1,000 个物理量子比特来组成一个逻辑量子比特[4] 。在步入多个逻辑量子比特阶段之后，其计算能力和可靠性将显著提升，有望在药物与化学研发、复杂金融模型模拟等方向展现出更大的应用潜力。

因此，Martinis明确指出 ，要最终实现通用型量子计算机，具体来说，一方面，要像经典计算机一样通用，另一方面，遵循量子力学，采用至少100万个量子比特，使其处理能力呈指数级增强，一瞬间便可执行海量计算。那么相应地，量子计算机制造技术也须经历指数级飞跃。

那么，现实情况又如何呢？

以超导量子计算为例，这是当前最为成熟的主流方向之一，包括谷歌、IBM等科技企业巨头以及我国中科大等科研团队在内，都将其作为重点方向。

谷歌2019年以包含53个量子比特的“悬铃木”（Sycamore）首次展示了量子优越性[5]，2024年推出了包含105个量子比特的 “Willow”量子芯片[6] ，也就说5年内数量仅翻了一番。Martinis担忧地指出，照这个速度，要达到100万个量子比特的真正里程碑，可能漫漫无期。

英国萨塞克斯大学的量子技术教授Winfried Hensinger在接受《卫报》[7] 采访时也表示：“谷歌已经证明了量子优越性，但要达到数百万个量子比特的量子计算，现有的量子硬件技术仍难实现。”

量子计算扩展“悖论”

在Martinis看来，阻碍从100个到100万个量子比特扩展之路的核心障碍在于当今量子系统构造本身：正如我们所见，现在量子系统内线路错综复杂，各种元件鳞次栉比，如同茂密丛林一般，而所有这些设计不过是用来冷却并控制安置在低温恒温器底部的那小小的一片量子芯片。量子计算机的设计研发已进入这么一个阶段：布线的复杂性完全压制量子器件本身。

而随着量子比特数量的增加，量子计算扩展将迎来一个“悖论“：复杂性已经不在于量子芯片本身，而在于支持芯片运行的外部控制系统。

首先，超导量子芯片和半导体量子芯片对运行环境最基本的要求均为接近绝对零度的极低温环境，因为要抑制环境噪声，就必须使量子芯片工作在远低于其能级对应的热噪声温度。而使用3He/4He混合气实现稀释制冷的稀释制冷机能够提供量子芯片所需的工作温度和环境，以2018年IBM展示的“包含50个量子比特的量子计算机原型机”[8] 为例（见下图），外层管线如面条般根根分明，数量庞大。此外，量子计算研究人员还要花费大量精力设计、改造、优化稀释制冷机内部的控制线路与屏蔽装置，以全面地抑制可能造成量子芯片性能下降的噪声因素。

▲IBM的稀释制冷机，用于容纳50位量子芯片

▲谷歌的量子计算机，来源：谷歌

让我们对比一下18年IBM的原型机与25年的谷歌原型机，便可一目了然可，若按此设计思路，随着量子比特数量的增加，用于冷却、控制和读取的外部 “管道”可能将呈几何级或超线性增长，最终演变成“意大利面条式层层密布的控制系统”。而外部连线导致的散热、空间和噪声问题，使得在低温恒温器中物理上无法容纳百万级别的控制线路。

其次，目前每个量子比特都需要一根导线连接到控制电子设备，对于运行数量不高的量子比特来说，该方法尚可行，但若要实现通用型量子计算，面对上百万个量子比特，继续如此连接将变得不切实际，就好比将手机1200万像素摄像头上的每一个像素单独连接到独立电路上[9] 。

量子技术需要一场制造业革命

有鉴于此，Martinis发起了量子技术制造工业革命的号召，提出了一个大胆愿景：由单一的集成芯片取代复杂如意大利面条式的控制系统。

基于低温互补式金属氧化物半导体（CMOS）技术的低温集成电路便是核心思路，可在极低温度下执行超导量子比特要求的计算任务。CMOS技术与标准微处理器采用的技术相同，使用CMOS技术可制造包含数十亿个电子元件的电路，正是大规模量子计算所需。如同上世纪60年代[10] ，当时的计算机还大得要占据整个房间，但70年代开发出的大规模集成技术催生了由数千个元件组成的微型芯片，如第一款微处理器英特尔的4位4004芯片，从而开启了微处理器革命。随着微处理器电路密度的不断提升，如今同样的芯片可容纳数百万个元件，迎来了智能设备的大放异彩。

另外，还需要抛弃目前量子计算芯片开发所依赖的已有60年历史的剥离制造工业，在Martinis看来，这种工艺过时且低效，还不够干净，也无法进一步实现可扩展性。量子计算必须采用最先进的芯片制造技术，即与制造现代智能手机中数十亿个晶体管相同的技术。

Martinis的最终目标和所有量子计算领域的科学家一样，实现“每个系统数百万个量子比特”。由于单片晶圆尺寸、信号以及低温环境下热耗散等种种限制，单片晶圆可能难以承载如此巨大数量的量子比特，但可以通过模块化和互连来解决。“我们可以在单个纯净的晶圆上实现2万个高保真量子比特，随后将若干晶圆相互连接，形成一个包含上百万个量子比特的完整系统。”Martinisi如此写道。

好消息在今年下半年不断传来，首先是9月25日，澳大利亚新南威尔士大学的量子技术初创公司Diraq与欧洲微电子研究中心（imec）合作在《自然》[11,12] 期刊上发表论文，报告在300毫米晶圆上制造的Diraq双量子比特器件在逻辑操作中实现了超过99%的保真度。研究所用的硅基量子芯片可依托现有CMOS工艺进行大规模制造，在降低成本的同时实现高保真度，为研发出数百万个量子比特的量子计算机开辟新途径。

▲Diraq 首席执行官 Andrew Dzurak 教授手持一块 300 毫米硅晶圆，该晶圆由 imec 制造。来源：Diraq

仅在一个多月后，IBM [13] 在11月量子开发者大会上公布了两款全新量子处理器：IBM Quantum Nighthawk（夜鹰）和IBM Quantum Loon，前者专为量子优势而打造，后者则可实现高效的量子纠错解码，速度比目前领先方法快10倍。与此同时，IBM也转向300毫米晶圆制造量子芯片，不仅将开发速度提高了一倍，还将芯片的物理复杂性提高了10倍，以实现容错纠错路线图。

▲IBM研究员手持300mm IBM Quantum Nighthawk晶圆，来源：IBM

Martinis在文末表示，发展至今，通往可扩展量子计算机的道路需要的已不仅仅是有高影响力的学术论文，更需要高科技工业制造来铺就。面对“理论先行、技术滞后”的局面，有必要进一步加强工业制造能力建设。百年来，感谢一代代科学家在基础科学领域的不断耕耘，我们已经掌握了诸多物理学知识和原理；接下来得让工程师和技术人员扛起发展的大旗，发挥所长，快速实现突破。否则，量子计算的潜力将被永远束缚在错综复杂的布线“丛林”之中。

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原文链接：https://www.ft.com/content/de55d987-13bb-4821-9e72-d7a066e48ccd

编译：金烨

审校：王波涛