雷鋒網(wǎng)消息，繼5月8日阿里巴巴量子實(shí)驗(yàn)室施堯耘團(tuán)隊(duì)宣布成功研制出當(dāng)前世界最強(qiáng)的量子電路模擬器太章之后。最新一期美國《科學(xué)進(jìn)展》雜志以《A chip that allows for two-dimensional quantum walks》為題報(bào)道了上海交通大學(xué)金賢敏團(tuán)隊(duì)通過“飛秒激光直寫”技術(shù)制備出節(jié)點(diǎn)數(shù)達(dá)49×49的光量子計(jì)算芯片。據(jù)悉，這是目前世界上最大規(guī)模的三維集成光量子計(jì)算芯片。

量子計(jì)算機(jī)與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)不同，量子計(jì)算是使用量子比特來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并且量子不像半導(dǎo)體只能記錄0與1而是可以同時(shí)表示多種狀態(tài)，量子計(jì)算的優(yōu)勢在于，一個(gè)40位的量子計(jì)算機(jī)能在很短時(shí)間內(nèi)解開1024位計(jì)算機(jī)花數(shù)十年才能解決的問題。因此可以看到近年來國內(nèi)外科技巨頭都在爭相研究通用量子計(jì)算機(jī)，IBM、谷歌、英特爾等也相繼宣告實(shí)現(xiàn)了更高的量子比特?cái)?shù)紀(jì)錄，但業(yè)界共識(shí)是即使做出幾十甚至更多量子比特?cái)?shù)，沒有做到全互連、精度不夠并且無法進(jìn)行糾錯(cuò)也無法實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算。

量子芯片具有可見的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)

二維自由演化的量子行走在實(shí)驗(yàn)中首次實(shí)現(xiàn)

過去20年里增加絕對計(jì)算能力的方式通常是制備更多光子數(shù)的量子糾纏，中國在這方面也一直保持優(yōu)勢，成功將光子數(shù)從 4 個(gè)提高到了 10 個(gè)，但增加光子數(shù)異常艱難。

不過，金賢敏表示，模擬量子計(jì)算不同于通用量子計(jì)算，可直接構(gòu)建量子系統(tǒng)，無需像通用量子計(jì)算那樣依賴復(fù)雜的量子糾錯(cuò)，一旦能夠制備和控制的量子物理系統(tǒng)達(dá)到新尺度，將可直接用于探索新物理和在特定問題上推進(jìn)遠(yuǎn)超傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的絕對計(jì)算能力。

因此金賢敏團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，通過增加量子演化系統(tǒng)的物理維度和復(fù)雜度來提升量子態(tài)空間尺度，開發(fā)了更加可行的全新量子資源，通過飛秒激光直寫技術(shù)制備了節(jié)點(diǎn)數(shù)多達(dá) 49×49 的三維光量子計(jì)算芯片，這種目前世界最大規(guī)模的光量子計(jì)算芯片使得真正空間二維自由演化的量子行走得以在實(shí)驗(yàn)中首次實(shí)現(xiàn)。

具體來說，金賢敏團(tuán)隊(duì)通過發(fā)展高亮度單光子源和高時(shí)空分辨的單光子成像技術(shù)，直接觀察光量子的二維行走模式輸出結(jié)果。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證量子行走不論在一維還是二維演化空間中都具有區(qū)別于經(jīng)典隨機(jī)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(jīng)典計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)。

瞬態(tài)網(wǎng)絡(luò)特性（transient network）理論曾指出只在大于一維的量子行走中才實(shí)現(xiàn)，以往準(zhǔn)二維量子行走實(shí)驗(yàn)在受限的量子演化空間無法觀測網(wǎng)絡(luò)傳播特征。金賢敏團(tuán)隊(duì)的研究首次在實(shí)驗(yàn)中成功觀測到了瞬態(tài)網(wǎng)絡(luò)特性，進(jìn)一步驗(yàn)證了所實(shí)現(xiàn)的量子行走的二維特征。

另據(jù)雷鋒網(wǎng)了解，金賢敏長期致力于光子芯片、量子存儲(chǔ)、量子信息等方面的研究。2010年起赴英國牛津大學(xué)物理系做博士后，在光存儲(chǔ)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(shí)獲得歐盟授予的“瑪麗居里學(xué)者”（Marie Curie Fellow）和牛津大學(xué)“沃弗森學(xué)院學(xué)者”（Wolfson College Fellow），并獲資助依托牛津大學(xué)獨(dú)立開展光存儲(chǔ)和量子網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)研究。2013年起開始在上海交通大學(xué)組建光子集成與量子信息實(shí)驗(yàn)室，成為國內(nèi)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(xué)的職位全職回到上海交通大學(xué)工作至今。

國內(nèi)外巨頭爭相布局量子計(jì)算

需要指出的是，量子信息技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了廣泛的原理性驗(yàn)證，但能否走出實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)商用取決于我們是否能夠構(gòu)建和操控足夠大規(guī)模的量子系統(tǒng)。發(fā)展的光量子集成芯片技術(shù)無疑是攻克可擴(kuò)展性難題有前景的途徑，除此之外我們也看到了國內(nèi)外科技巨頭的積極參與。

國外巨頭

IBM

作為在商業(yè)化上走得更遠(yuǎn)的企業(yè)，IBM 在2016 年就開發(fā)出了具有 5 位量子比特的量子計(jì)算機(jī)，把它提供出來作為量子計(jì)算云服務(wù)，供研究者使用。2017 年 11 月，IBM 宣布發(fā)布新型的 20 位量子比特的量子計(jì)算機(jī)，同樣作為云服務(wù)對外提供，并且是正式商業(yè)化的產(chǎn)品。

IBM 還表示，他們的研究人員們已經(jīng)成功開發(fā)出了一臺(tái) 50 位量子比特的原型機(jī)。以往觀點(diǎn)認(rèn)為達(dá)到 50 位量子比特的量子計(jì)算機(jī)就可以模擬傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的所有操作，但它的商業(yè)化日程尚未可知。

微軟

微軟在 2005 年就已經(jīng)開始鉆研量子計(jì)算技術(shù)。當(dāng)時(shí)微軟悄悄成立了「Station Q」實(shí)驗(yàn)室，負(fù)責(zé)人是數(shù)字家 Michael Freedman。同年微軟的一支研究團(tuán)隊(duì)就提出了一種在半導(dǎo)體-超導(dǎo)體混合結(jié)構(gòu)中建造拓?fù)浔Ｗo(hù)量子比特的方法。微軟隨后投資了數(shù)個(gè)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行嘗試。

到了2016 年，微軟宣布計(jì)劃斥巨額資源開發(fā)量子計(jì)算機(jī)的原型產(chǎn)品。2018年3 月 29 日凌晨微軟宣布：荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的微軟研究員通過由半導(dǎo)體材料和超導(dǎo)材料制作的納米線材，發(fā)現(xiàn)馬約拉納費(fèi)米子（Majorana fermion）的存在證據(jù)。

繼發(fā)現(xiàn) Majorana 粒子存在證據(jù)的研究之后，微軟下一步會(huì)將費(fèi)米子轉(zhuǎn)化為量子，并希望在今年年底實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，在 5 年內(nèi)向其他企業(yè)提供可用的量子計(jì)算機(jī)。

英特爾

對量子計(jì)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(xué)的量子技術(shù)研究項(xiàng)目 QuTech 投資 5000 萬美元。英特爾專注于硅量子點(diǎn)技術(shù)（silicon quantum dots），它經(jīng)常被稱作人造原子。一個(gè)量子點(diǎn)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(tài)可以用 0 或 1 來表示。不同于離子或原子，量子點(diǎn)不需要激光來困住它。

早期的電子點(diǎn)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(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的巨大產(chǎn)能。QuTech 技術(shù)負(fù)責(zé)人 Leo Kouwenhoven 說：“我認(rèn)為英特爾屬意于硅，畢竟那是他們最擅長的材料?！钡腔诠璧牧孔颖忍匮芯浚蟠舐浜笥谇艚x子和超導(dǎo)量子技術(shù)。

谷歌

2014 年，谷歌把整個(gè)加州大學(xué)圣芭芭拉分校（University of California, Santa Barbara）研究團(tuán)隊(duì)的全部十幾個(gè)人都納入麾下，包括導(dǎo)量子比特專家 John Martinis。隨后John Martinis 團(tuán)隊(duì)宣布已經(jīng)建成了 9 量子比特的機(jī)器，當(dāng)時(shí)是目前世界上可編程的量子計(jì)算機(jī)中最大的之一，而且他們正在嘗試擴(kuò)大規(guī)模。為了避免大堆纏繞的電線，他們正在 2D 平面結(jié)構(gòu)上重建該系統(tǒng)。據(jù)悉該系統(tǒng)會(huì)鋪設(shè)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(tuán)隊(duì)用了三個(gè)超導(dǎo)量子比特來模擬氫分子的基態(tài)（ground state）能量，展示了在模擬簡單的量子系統(tǒng)上，量子計(jì)算機(jī)可以做到和傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)一樣好。Martinis 表示，這個(gè)結(jié)果預(yù)示了擁有「量子霸權(quán)」的計(jì)算設(shè)備的力量。他還認(rèn)為，谷歌一年造出 49 量子比特計(jì)算機(jī)的計(jì)劃很趕時(shí)間，但或許有可能實(shí)現(xiàn)。

近日，谷歌量子 AI 實(shí)驗(yàn)室今天發(fā)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(shí)驗(yàn)結(jié)果，但這塊芯片的未來有很大潛力，很有可能達(dá)成量子計(jì)算領(lǐng)域內(nèi)的重要里程碑。

國內(nèi)巨頭

百度

2018 年 3 月 8 日，百度宣布成立量子計(jì)算研究所，悉尼科技大學(xué)量子軟件和信息中心創(chuàng)辦主任段潤堯教授出任百度量子計(jì)算研究所所長，直接向百度總裁張亞勤匯報(bào)。

依靠百度量子、量子百度的研究規(guī)劃，百度計(jì)劃在五年內(nèi)組建世界一流的量子計(jì)算研究所，并逐步將量子計(jì)算融入到百度業(yè)務(wù)中。

阿里巴巴

阿里巴巴從 2015 年開始就關(guān)注量子計(jì)算，并和中科院合作成立了亞洲首個(gè)量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)室。

2017 年 3 月，阿里云公布了全球首個(gè)云上量子加密通訊案例，通過建立多個(gè)量子安全傳輸域，為客戶提供無條件安全數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。

2017 年 5 月，中科大、中國科學(xué)院-阿里巴巴量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)室、浙江大學(xué)、中科院物理所等協(xié)同完成參與研發(fā)了世界上第一臺(tái)超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的光量子計(jì)算機(jī)。期間，世界知名量子計(jì)算科學(xué)家、密歇根大學(xué)終身教授施堯耘和匈牙利裔美國計(jì)算機(jī)科學(xué)家馬里奧?塞格德先后加入阿里云量子實(shí)驗(yàn)室。

2018 年 2 月，中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院與阿里云宣布，11 量子比特超導(dǎo)量子計(jì)算服務(wù)在量子計(jì)算云平臺(tái)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(jì)算云服務(wù)的系統(tǒng)。

2018年5月，阿里巴巴量子實(shí)驗(yàn)室施堯耘團(tuán)隊(duì)宣布成功研制當(dāng)前世界最強(qiáng)的量子電路模擬器，名為太章。基于阿里巴巴集團(tuán)計(jì)算平臺(tái)在線集群的超強(qiáng)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(zhǔn)的谷歌隨機(jī)量子電路，之前達(dá)到這個(gè)層數(shù)的模擬器只能處理 49 比特。雷鋒網(wǎng)了解，太章的創(chuàng)新算法通信開銷極小，得以充分發(fā)揮平臺(tái)在線集群的優(yōu)勢，在過去超級(jí)計(jì)算機(jī)上做不了的模擬任務(wù)，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(xué)計(jì)算機(jī)系任副教授張勝譽(yù)以騰訊量子實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人、杰出科學(xué)家的身份正式亮相。他表示，量子實(shí)驗(yàn)室將分別招聘量子方向和 AI 方向的相關(guān)人士，希望匯集跟量子相關(guān)的算法、復(fù)雜性、通訊、模擬、量子物理、量子化學(xué)等等各方面的人才，同時(shí)也看重量子力學(xué)和人工智能的結(jié)合。

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