日本科學(xué)家中村泰信和同事在24年前演示了世界上第一個(gè)超導(dǎo)量子比特，極大地推動(dòng)了量子計(jì)算領(lǐng)域的可擴(kuò)展性，讓人們看到量子計(jì)算未來(lái)落地的巨大潛力。最近，他又領(lǐng)導(dǎo)建造了日本第一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)。Credit: RIKEN
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在科學(xué)漫長(zhǎng)的歷史中，“小幅”進(jìn)步的積累起著至關(guān)重要的作用。如果我能為之增加一點(diǎn)點(diǎn)增量，我會(huì)很高興。我并不希望成為科學(xué)的霸主。所以，如果有人能認(rèn)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(méi)什么野心，除了建造量子計(jì)算機(jī)！
——中村泰信，物理學(xué)家，2021年“墨子量子獎(jiǎng)”得主
量子沙龍｜來(lái)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(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）報(bào)告了一個(gè)新發(fā)現(xiàn)：他們?cè)谝粋€(gè)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(duì)此感到十分興奮。他一直對(duì)量子物理和量子現(xiàn)象充滿興趣，這個(gè)實(shí)驗(yàn)解答了他的一個(gè)重要疑問(wèn)：能否在尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(shí)到，他的超導(dǎo)器件經(jīng)過(guò)改造，很有可能實(shí)現(xiàn)量子比特。那么，什么是量子比特？量子計(jì)算又是什么？中村泰信之前并不了解這些術(shù)語(yǔ)。然而，他忍不住開始著手研究這些概念，然后跳入了量子計(jì)算的世界，一個(gè)充滿奇妙可能性的兔子洞。一年半后，他和同事通過(guò)一個(gè)巧妙的實(shí)驗(yàn)，成功展示了第一個(gè)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(dòng)世界。“當(dāng)我們第一次進(jìn)行超導(dǎo)量子比特實(shí)驗(yàn)時(shí)，這是首次在固態(tài)器件中實(shí)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(lái)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(guó)際會(huì)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(xué)應(yīng)用物理系的教授，同時(shí)也擔(dān)任日本理化學(xué)研究所（RIKEN）量子計(jì)算中心的主任。他在2023年3月成功建造出日本的第一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)[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(jiǎng)”——一項(xiàng)由中國(guó)企業(yè)家捐贈(zèng)的量子信息和量子技術(shù)領(lǐng)域的國(guó)際學(xué)術(shù)獎(jiǎng)項(xiàng)，以表彰他們?cè)陂_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(lái)到合肥，參加第二屆新興量子技術(shù)國(guó)際會(huì)議，并出席了因新冠疫情推遲了一年多的“墨子量子獎(jiǎng)”頒獎(jiǎng)典禮。
頒獎(jiǎng)典禮第二天，中村教授準(zhǔn)時(shí)出現(xiàn)在了會(huì)場(chǎng)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(jué)。
中村教授告訴我，在1997年的時(shí)候，他從未想過(guò)自己會(huì)涉足量子計(jì)算領(lǐng)域?！拔耶?dāng)時(shí)無(wú)法預(yù)測(cè)自己未來(lái)幾年會(huì)做什么，”他說(shuō)。同樣地，如今他也無(wú)法預(yù)測(cè)未來(lái)是否會(huì)實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算，也不知道何時(shí)可能會(huì)發(fā)生，盡管許多機(jī)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(wú)法預(yù)測(cè)的?！?/span>
他說(shuō)，量子計(jì)算是物理和技術(shù)領(lǐng)域的終極挑戰(zhàn)之一， 因?yàn)槲覀冎雷匀蛔裱孔恿W(xué)的規(guī)則。“如果我們能夠在量子力學(xué)的層面控制一切，我們就可以做到無(wú)所不能?！?/span>
“因此，量子計(jì)算和其它量子技術(shù)實(shí)際上是在最基本的原理層面操縱自然，進(jìn)行精細(xì)的控制。這可以說(shuō)是我們的終極技術(shù)?！敝写褰淌谡f(shuō)，“我認(rèn)為這正是這個(gè)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。”
1987年，是高溫超導(dǎo)領(lǐng)域值得紀(jì)念的一年。這一年，兩項(xiàng)重大事件接踵而至，將高溫超導(dǎo)推上了科學(xué)界的巔峰。
首先是當(dāng)年春天，美國(guó)華裔科學(xué)家朱經(jīng)武與中國(guó)臺(tái)灣物理學(xué)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(guó)大陸科學(xué)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(xué)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(xué)家柏諾茲（J.Georg Bednorz）和繆勒（K.Alexander Muller）獲得1987年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。也是他們二人，在1986年1月首先報(bào)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(shí)，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(chǎng)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(jìn)入高溫超導(dǎo)時(shí)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(dāng)時(shí)高溫超導(dǎo)研究熱潮洶涌，仿佛全世界的科學(xué)家都在研究高溫超導(dǎo)?！敝写褰淌诨貞浀溃拔揖褪窃诎l(fā)現(xiàn)不久后的1989年加入了那個(gè)團(tuán)隊(duì)，我們?nèi)匀粚?duì)高溫超導(dǎo)充滿興奮。連續(xù)三年，我都在鉆研這個(gè)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(shí)驗(yàn)室，在那里研究納米級(jí)的電子器件。其中一種器件是單電子晶體管，它在兩個(gè)引線之間有個(gè)不到一微米大小的“盒子”電極。因?yàn)殡姾尚?yīng)通過(guò)隧道結(jié)的電子流，經(jīng)連接兩個(gè)電極的“盒子”，強(qiáng)制一個(gè)一個(gè)穿過(guò)。需要注意的是，與單個(gè)原子和電子相比，單電子晶體管仍然大了四到五個(gè)數(shù)量級(jí)。一個(gè)意外的發(fā)現(xiàn)是，當(dāng)冷卻到低于1K的溫度時(shí)，鋁制的單電子晶體管會(huì)變成超導(dǎo)體。然后，電流由成對(duì)移動(dòng)的電子組成——這些在超導(dǎo)狀態(tài)下出現(xiàn)的特殊電子對(duì)，被稱為“庫(kù)珀對(duì)”。這時(shí)，單電子晶體管就變成了單庫(kù)珀對(duì)晶體管，逐個(gè)輸運(yùn)庫(kù)珀對(duì)。“當(dāng)我們研究這種器件在超導(dǎo)狀態(tài)下的行為時(shí)，我們產(chǎn)生了創(chuàng)造量子疊加的想法, 僅僅是出于對(duì)物理的好奇心?！敝写褰淌谡f(shuō)，“正如我昨天在演講中提到的，長(zhǎng)期以來(lái)存在一個(gè)問(wèn)題，即我們是否能夠在宏觀物體中實(shí)現(xiàn)量子疊加，這是物理學(xué)中的一個(gè)基本問(wèn)題。”量子疊加是量子力學(xué)中的一個(gè)概念，用來(lái)描述光子、原子和電子等微觀粒子可以同時(shí)處于兩種或多種狀態(tài)的奇怪行為。舉例來(lái)說(shuō)，一個(gè)電子可以同時(shí)存在于這里和那里，但直到我們測(cè)量它，它才會(huì)確定為其中一種狀態(tài)。在數(shù)學(xué)上，這種微觀粒子的奇特性質(zhì)可以用薛定諤方程來(lái)表示。1985年，理論物理學(xué)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(lái)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(xué)效應(yīng)。約瑟夫森結(jié)是由兩塊超導(dǎo)體和中間一個(gè)極薄的絕緣層組成的固態(tài)器件。在這個(gè)結(jié)構(gòu)中，一塊超導(dǎo)體中的庫(kù)珀對(duì)可穿過(guò)絕緣層進(jìn)入另一超導(dǎo)體中，這是特有的量子力學(xué)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(gè)約瑟夫森結(jié)和另一個(gè)連接到庫(kù)珀對(duì)盒的外部偏置隧道結(jié)組成的“庫(kù)珀對(duì)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(jí)的分裂，成為一個(gè)二能級(jí)系統(tǒng)。 這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，庫(kù)珀對(duì)盒的兩個(gè)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(bào)》上。隨后，來(lái)自德國(guó)（1997年9月，1999年3月）[4]、美國(guó)（1998年6月）[5]和法國(guó)（1998年1月）[6]的多個(gè)小組預(yù)言，單庫(kù)珀對(duì)盒可以用來(lái)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(gè)非?；尽⒈夭豢缮俚牟糠?，正如比特在經(jīng)典計(jì)算機(jī)中的作用一樣。在經(jīng)典計(jì)算機(jī)中，我們使用比特來(lái)處理信息，一個(gè)比特表示0或1。“比特是用晶體管表示的，例如，晶體管是否打開，意味著電流是否通過(guò)晶體管（這樣可以來(lái)表示0或1）?！敝写褰淌谡f(shuō)。而在量子計(jì)算機(jī)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(shí)是0和1，這就是疊加態(tài)，一種非常反直覺(jué)的狀態(tài)，它使我們感到困惑。但是，如果你相信量子力學(xué)，那么就知道疊加態(tài)是量子力學(xué)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(shuō)。然而，在中村教授還是學(xué)生的時(shí)候，“還沒(méi)有‘qubit’（量子比特）這個(gè)詞”。關(guān)于量子計(jì)算的起源，人們津津樂(lè)道的，是著名物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼(Richard Feynman) 1981年在美國(guó)麻省理工學(xué)院舉行的第一屆計(jì)算物理學(xué)會(huì)議上做的一個(gè)預(yù)言[7]。他當(dāng)時(shí)指出，沒(méi)有任何經(jīng)典計(jì)算機(jī)可以模擬大型量子系統(tǒng)，也許只有利用量子力學(xué)，我們才能模擬出一個(gè)量子世界。盡管量子計(jì)算的概念聽起來(lái)很有道理，但相關(guān)研究一直不溫不火。直到1994年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的數(shù)學(xué)家Peter Shor 提出量子算法[8]，用于質(zhì)因數(shù)分解，使得量子計(jì)算機(jī)有可能做出超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)的任務(wù)。這引發(fā)了人們對(duì)量子計(jì)算的廣泛興趣。很快，許多來(lái)自物理學(xué)不同領(lǐng)域的人開始思考如何實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)。光學(xué)和原子、核磁共振以及固態(tài)物理學(xué)領(lǐng)域的研究者紛紛涌入了這個(gè)領(lǐng)域，他們相繼利用困在電磁場(chǎng)中的離子、原子核的自旋、甚至核磁共振的分子等實(shí)現(xiàn)了量子比特。然而，這些早期的進(jìn)展發(fā)生在不同的領(lǐng)域，主要集中在歐洲和美國(guó)，而當(dāng)時(shí)身在日本的中村泰信并沒(méi)有完全了解這些進(jìn)展，甚至在 1997 年秋季發(fā)表的論文中，他和同事根本沒(méi)有提到“量子比特”（qubit）這個(gè)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(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域的方式……在那之前，我周圍沒(méi)有人認(rèn)真討論量子計(jì)算?！?/span>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(lái)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(xué)院（MIT）（訪問(wèn)）時(shí)，我們被來(lái)自日本的一個(gè)驚雷‘炸’到了。來(lái)自NEC的蔡兆申和中村團(tuán)隊(duì)在《自然》（Nature）雜志上發(fā)表了一篇題為‘單庫(kù)珀對(duì)盒中宏觀量子態(tài)的相干控制’的論文。通常情況下，我們對(duì)我們領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)室中發(fā)生的事情了如指掌，即使工作還沒(méi)有發(fā)表。NEC 小組當(dāng)然是眾所周知的，但更遙遠(yuǎn)，不僅僅是字面意義上的遙遠(yuǎn)?！?017年，荷蘭物理學(xué)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(xué)(TU Delft)榮譽(yù)教授，曾經(jīng)擔(dān)任卡維理納米科學(xué)研究所首任所長(zhǎng)，長(zhǎng)期從事納米尺度量子效應(yīng)的研究。此外，當(dāng)時(shí)的人們對(duì)于固態(tài)量子比特的可能性并不太看好，因?yàn)榕c單個(gè)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(gè)特定的自由度進(jìn)行操控更加困難。然而，無(wú)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(shí)現(xiàn)量子比特。如何將它們與現(xiàn)有的經(jīng)典計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)設(shè)施相結(jié)合，以進(jìn)行控制以及擴(kuò)展它們，即增加量子比特的數(shù)量，也存在許多實(shí)際挑戰(zhàn)。第一個(gè)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(jì)算未來(lái)落地的巨大潛力。“要構(gòu)建計(jì)算機(jī)，我們需要很多很多的量子比特，對(duì)吧？不僅僅是單一的、少數(shù)的量子比特。但是要把數(shù)百萬(wàn)個(gè)量子比特集成在一起，人們很難想象，就像要把數(shù)百萬(wàn)個(gè)原子精確對(duì)齊一樣。但當(dāng)時(shí)，硅技術(shù)已經(jīng)非常普遍地用于晶體管和計(jì)算機(jī)芯片。因此，想象在芯片上構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)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(shuō)。但是，中村泰信對(duì)于超導(dǎo)量子比特的前景并不樂(lè)觀。存儲(chǔ)在量子比特中的信息只能存活最多1納秒，相當(dāng)于1秒的十億分之一。如此短暫的時(shí)間，意味著只能執(zhí)行幾次量子門操作，然后信息就會(huì)丟失，更不用說(shuō)模擬復(fù)雜的量子力學(xué)世界了。如今，在全球科學(xué)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(zhǎng)。事實(shí)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(gè)數(shù)量級(jí)。更長(zhǎng)的壽命意味著科學(xué)家可以做更多的精細(xì)操作，從而幫助解決更復(fù)雜的問(wèn)題。
直到今天，中村教授仍然認(rèn)為，演示第一個(gè)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?yàn)樗龅搅撕萌恕?/span>
“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(rèn)識(shí)了這些領(lǐng)域的偉大人物，他們總是非常友善，樂(lè)于助人。正因?yàn)槿绱?，我才取得了良好的結(jié)果。我認(rèn)為不僅在科學(xué)方面，而且在生活中，結(jié)識(shí)好人很重要?！敝写褰淌谡f(shuō)。Michel Devoret是法國(guó)物理學(xué)家，現(xiàn)為耶魯大學(xué)應(yīng)用物理和物理學(xué)教授。他曾經(jīng)在加州大學(xué)伯克利分校John Clarke教授的實(shí)驗(yàn)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(dāng)時(shí)的博士生John Martinis共同證明了約瑟夫森結(jié)電路中能級(jí)的量子化。之后，他回到法國(guó)，在薩克雷原子能委員會(huì) (CEA) 從事量子力學(xué)電子學(xué)方面的研究。2002年加入耶魯大學(xué)。中村教授說(shuō)，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(xué)了?！八麄儗?duì)量子力學(xué)感興趣，而不是量子計(jì)算，因?yàn)槟菚r(shí)還沒(méi)有量子計(jì)算……后來(lái)，他們也開始研究單電子晶體管，這是我在 NEC 剛開始時(shí)做的工作。當(dāng)我剛到NEC 工作時(shí)，基本上周圍沒(méi)有人熟悉那個(gè)領(lǐng)域。所以，我不得不從國(guó)外大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)的論文和博士論文中學(xué)習(xí)。Michel Devoret 的團(tuán)隊(duì)是世界頂級(jí)團(tuán)隊(duì)之一。所以，我從他們的出版物中學(xué)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(shí)開始，我們就有了很多交流，所以我們知道他們?cè)谧鍪裁矗麄円仓牢覀冊(cè)谧鍪裁?。但一開始，沒(méi)有人談?wù)摿孔佑?jì)算，因?yàn)樗€不那么普遍。我們只是對(duì)物理學(xué)和宏觀尺度上的量子疊加有共同的興趣。”1999年，Michel Devoret教授訪問(wèn)了中村泰信所在的NEC實(shí)驗(yàn)室，那時(shí)中村泰信和同事恰好剛剛完成第一個(gè)超導(dǎo)量子比特的實(shí)驗(yàn)?！拔蚁騇ichel展示了結(jié)果，他當(dāng)時(shí)非常興奮……我真的很高興與Michel 和John一起獲得墨子量子獎(jiǎng)。我們從未直接合作過(guò)，也從未共同撰寫過(guò)論文，但我們一直在同一個(gè)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(shuō)。中村教授說(shuō)，他遇到的另外一位好人，是荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的物理學(xué)家Hans Mooij?！爱?dāng)我在 NEC 開始單電子晶體管研究時(shí)，我從其他團(tuán)隊(duì)學(xué)到了很多東西，代爾夫特是當(dāng)時(shí)世界上最強(qiáng)大的團(tuán)隊(duì)之一，類似于Michel Devoret的團(tuán)隊(duì)。”中村教授說(shuō)。2001年，在荷蘭代爾夫特大學(xué)訪問(wèn)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(wèn)的Mooij結(jié)識(shí)。六年后，當(dāng)中村泰信有機(jī)會(huì)學(xué)術(shù)休假一年時(shí)，他想到了三個(gè)可以訪問(wèn)的課題組，分別是代爾夫特團(tuán)隊(duì)、薩克雷的Devoret團(tuán)隊(duì)、瑞典的查爾默斯大學(xué)。最后，他選擇了去代爾夫特。“因?yàn)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(rèn)為這是一個(gè)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(jì)算的重大突破：2002年夏天，他們首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(yùn)行的時(shí)間更長(zhǎng)。
2002年夏天，中村泰信和Hans Mooij合作，
首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(jì)算機(jī)的發(fā)明，一般認(rèn)為是數(shù)學(xué)家引領(lǐng)的信息革命。無(wú)論是阿蘭·圖靈，還是馮·諾伊曼，他們首先都是數(shù)學(xué)家，通過(guò)邏輯運(yùn)算和程序思維，為經(jīng)典計(jì)算機(jī)的發(fā)明奠定了基礎(chǔ)。到了量子計(jì)算，人們通常認(rèn)為這是由物理學(xué)家主導(dǎo)的一場(chǎng)革命。
中村教授說(shuō)，“也許從外界角看，量子計(jì)算研究似乎基本上是由物理學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的，這實(shí)際上是因?yàn)橹挥形锢韺W(xué)家對(duì)關(guān)心量子力學(xué)有深刻的興趣?！?/span>
他繼續(xù)說(shuō)道，“也許最初將量子力學(xué)應(yīng)用于計(jì)算的想法來(lái)自物理學(xué)家。但后來(lái)，更多的計(jì)算機(jī)科學(xué)家和數(shù)學(xué)家加入了這項(xiàng)研究。這非常重要，因?yàn)槲锢韺W(xué)家通常不會(huì)像他們那樣深入理解計(jì)算。你知道 Peter Shor，他更多的是數(shù)學(xué)家，而不是物理學(xué)家?！?/span>“所以，實(shí)際上，我認(rèn)為量子計(jì)算和量子信息的研究領(lǐng)域是一個(gè)非?？鐚W(xué)科的領(lǐng)域，這也是我最喜歡的地方，因?yàn)檫@是一個(gè)新領(lǐng)域，許多來(lái)自不同領(lǐng)域的人加入其中。與來(lái)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(shuō)。他表示，一開始，他們遇到了語(yǔ)言障礙，因?yàn)閬?lái)自不同領(lǐng)域的人使用不同的術(shù)語(yǔ)來(lái)表達(dá)類似的概念?！坝袝r(shí)很難理解彼此。但在同一個(gè)新領(lǐng)域一起工作后，我們開始使用量子信息科學(xué)的新語(yǔ)言更好地相互交流。這確實(shí)創(chuàng)造了新的想法和新的突破?！?/span>作為一名實(shí)驗(yàn)物理學(xué)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(jì)算中心，我們有幾個(gè)由理論家領(lǐng)導(dǎo)的理論團(tuán)隊(duì)。在我的研究小組中，雖然沒(méi)有100%的理論家，但有些人擅長(zhǎng)做理論工作。我一直很喜歡與理論家合作，因?yàn)樽鳛橐幻麑?shí)驗(yàn)物理學(xué)研究者，我的方法有點(diǎn)更像是一種直覺(jué)的方法。我不擅長(zhǎng)寫出嚴(yán)格的理論。所以，我需要合作?！?/span>他解釋說(shuō)，量子計(jì)算需要大量不同層次的技術(shù)專業(yè)知識(shí)，每個(gè)層次涉及理論和理論學(xué)家。理論物理學(xué)家與實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家之間的密切合作，對(duì)于建立理論，描述實(shí)驗(yàn)和理解基本物理非常關(guān)鍵。自2018年以來(lái)，中村泰信一直擔(dān)任日本“量子飛躍旗艦計(jì)劃”（Q-LEAP）下的“超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)[10]研發(fā)項(xiàng)目”的負(fù)責(zé)人，致力于超導(dǎo)量子計(jì)算的實(shí)現(xiàn)。
Q-LEAP是日本政府投資的一個(gè)大規(guī)模量子技術(shù)項(xiàng)目，包括量子計(jì)算、量子測(cè)量與傳感、下一代激光器等。中村教授介紹說(shuō)，日本與中國(guó)、美國(guó)等國(guó)家一樣，加大了對(duì)量子技術(shù)的投入，這一變化正是始于2018年的Q-LEAP計(jì)劃。
他認(rèn)為，日本量子計(jì)算領(lǐng)域面臨的一個(gè)重要挑戰(zhàn)是，政府已經(jīng)投入了大量資金到這個(gè)領(lǐng)域，但需要更多的人員來(lái)運(yùn)行項(xiàng)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(jì)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(gè)小組負(fù)責(zé)人都在尋找優(yōu)秀的研究員、博士后和學(xué)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(jìng)爭(zhēng)非常激烈?！敝写褰淌谡f(shuō)。因此，他認(rèn)為，鼓勵(lì)更多的人加入量子領(lǐng)域非常重要?！耙苍S還不是在日本，但在一些國(guó)家，他們已經(jīng)在大學(xué)中開設(shè)了量子技術(shù)系，以培養(yǎng)更多的學(xué)生。這是很重要的?！?/span>當(dāng)被問(wèn)及給對(duì)量子計(jì)算感興趣的年輕人的建議時(shí)，中村教授考慮了一會(huì)兒，然后說(shuō)道：“量子科學(xué)領(lǐng)域既有趣又充滿挑戰(zhàn)。我認(rèn)為這是一個(gè)非常好的共同工作的領(lǐng)域，不僅僅是對(duì)這個(gè)領(lǐng)域，對(duì)做一般研究來(lái)說(shuō)也是如此?！?/span>他認(rèn)為，堅(jiān)持和韌性對(duì)于追求量子計(jì)算事業(yè)來(lái)說(shuō)非常重要?！笆紫?，我們不應(yīng)該害怕失敗，因?yàn)樵谘芯恐校覀儫o(wú)法預(yù)測(cè)未來(lái)，也無(wú)法保證成功。通常情況下我們會(huì)失敗很多次，但有時(shí)我們也會(huì)成功，這需要辛勤的工作和持續(xù)的努力?！?/span>他繼續(xù)說(shuō)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(lái)新的想法和新的線索。這是我在科學(xué)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?！?/span>作為一項(xiàng)國(guó)家項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人，中村教授認(rèn)為量子計(jì)算是一個(gè)需要個(gè)體科學(xué)家和團(tuán)隊(duì)之間大量合作的研究領(lǐng)域。“當(dāng)然，政府希望促進(jìn)國(guó)際合作，有時(shí)他們制定一些自上而下的合作計(jì)劃。但我認(rèn)為這種合作研究應(yīng)該更多地通過(guò)自下而上的方式自發(fā)進(jìn)行。最終，真正做實(shí)際工作的人是研究人員。因此，我認(rèn)為最重要是從事這項(xiàng)工作的人之間的互動(dòng)。當(dāng)然，如果有了一些總體方案來(lái)簡(jiǎn)化合作流程，那就更好了。”他還提到，過(guò)去幾年的COVID-19大流行使旅行變得困難，這確實(shí)令人難過(guò)。此外，地緣政治問(wèn)題也對(duì)科學(xué)家的正常交流和合作產(chǎn)生了巨大影響，“我對(duì)這種情況非常不滿?！?/span>“我認(rèn)為如果不相互交流，這對(duì)我們?nèi)蚩茖W(xué)和技術(shù)的發(fā)展非常不利。在中國(guó)，我看到正在取得巨大的進(jìn)展，在美國(guó)、歐洲和日本也是如此。如果彼此斷開了連接，那將會(huì)非常糟糕。所以我很高興被邀請(qǐng)來(lái)到這里。當(dāng)我收到邀請(qǐng)的電子郵件時(shí)，我立即就答應(yīng)了?！敝写褰淌谡f(shuō)。2023年3月，中村教授帶領(lǐng)的RIKEN量子計(jì)算中心推出了一臺(tái)64比特的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)[11]，這是日本建造的第一臺(tái)超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)。今年，也就是2024年，中村教授告訴我，他們團(tuán)隊(duì)將把它擴(kuò)展到 144 個(gè)量子比特。
日本第一臺(tái)國(guó)產(chǎn)超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)https://www.riken.jp/pr/news/2023/20231005_1/index.html
他承認(rèn)，在擴(kuò)展方面，他們可能無(wú)法一些國(guó)際巨頭競(jìng)爭(zhēng)——有的公司已經(jīng)在運(yùn)行超過(guò)一千個(gè)量子比特的計(jì)算機(jī)[12]，但他仍然對(duì)開發(fā)擴(kuò)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(wú)法簡(jiǎn)單地進(jìn)行擴(kuò)展……在我們的方法中，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種自下而上的垂直布線架構(gòu)，這樣使得擴(kuò)展變得簡(jiǎn)單。我們定義了一個(gè)2×2的四量子比特單元。對(duì)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(shuō)。他也承認(rèn)，雖然垂直布線的設(shè)計(jì)很有意思，但要實(shí)際擴(kuò)展仍然非常具有挑戰(zhàn)性。這就像我們知道量子計(jì)算的路線圖可能是什么樣，但現(xiàn)實(shí)的進(jìn)展可能是另外一回事。在國(guó)際學(xué)術(shù)界，量子計(jì)算機(jī)研究有三個(gè)重要的里程碑階段，首先，實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”；其次，開發(fā)量子模擬機(jī)，可以解決超級(jí)計(jì)算機(jī)無(wú)法勝任的問(wèn)題，如量子化學(xué)、新材料設(shè)計(jì)、優(yōu)化算法等；第三，研制可編程量子原型機(jī)，包括可編程的通用量子計(jì)算原型機(jī)。當(dāng)中村教授在2023年ICEQT會(huì)議中做墨子量子獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)人的報(bào)告時(shí)，他提到了IBM公司關(guān)于量子計(jì)算擴(kuò)展的路線圖，并介紹了量子計(jì)算發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)，例如量子糾錯(cuò)，量子退相干、噪音和干擾。“老實(shí)說(shuō)，我自己沒(méi)有這么明確的路線圖，因?yàn)槲覀冇性S多挑戰(zhàn)需要解決。其中一些看起來(lái)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(wú)法預(yù)測(cè)的。幸運(yùn)的是，它們通常會(huì)通過(guò)社區(qū)中的人們的累積努力最終發(fā)生?！?/span>中村教授強(qiáng)調(diào)，半導(dǎo)體行業(yè)會(huì)根據(jù)技術(shù)細(xì)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(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。所以，預(yù)測(cè)未來(lái)并不容易。”盡管存在這些不確定性，他從未對(duì)自己研究的重要性表示過(guò)絲毫的懷疑，而是談到了他對(duì)作為一名物理學(xué)家能夠研究量子物理的深切感激和欣賞：“量子物理學(xué)是如此奇怪，它告訴我們一些意想不到的事情。這是這個(gè)領(lǐng)域的有趣部分……”“在科學(xué)漫長(zhǎng)的歷史中，‘小幅’進(jìn)步的積累起著至關(guān)重要的作用。如果我能為之增加一點(diǎn)點(diǎn)增量，我會(huì)很高興。我并不希望成為科學(xué)的霸主。所以，如果有人能認(rèn)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(méi)有別的大抱負(fù)，除了建造量子計(jì)算機(jī)?。↖ don’t have any big ambitions, except for building a quantum computer!）”
致謝：感謝曹思睿博士對(duì)本文的討論與修改建議，感謝王雨丹對(duì)本文采訪部分內(nèi)容所做的校對(duì)。
本文首發(fā)于微信公眾號(hào)”墨子沙龍“，原標(biāo)題為“第一個(gè)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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[9] https://blog.qutech.nl/2017/11/04/the-first-delft-qubit/
[10] https://www.jst.go.jp/stpp/q-leap/
[11] https://group.ntt/en/newsrelease/2023/03/24/230324a.html
[12] https://news.sciencenet.cn/htmlnews/2023/10/511012.shtm
