科技日報駐德國記者 李山

近日，圍繞量子計算的研究進展，科技日報記者采訪了德國波恩大學(xué)實驗物理學(xué)家塞巴斯蒂安·霍弗伯思教授。霍弗伯思認為，目前量子計算的研究仍未脫離基礎(chǔ)科學(xué)部分，基于中性原子和光子的量子計算機平臺已具有與離子和超導(dǎo)平臺同樣的競爭力，下一步重要的是提高各平臺的糾錯能力，而現(xiàn)階段量子計算仍離不開經(jīng)典計算的支持。

相關(guān)研究尚未脫離基礎(chǔ)研究

作為一名實驗物理學(xué)家，霍弗伯思主攻利用里德堡原子研究量子光學(xué)。他所做的大部分研究都是在實驗技術(shù)的驅(qū)動下探索新的方向和實驗極限。他強調(diào)，實驗是獲得科學(xué)直覺的最好方式。量子光學(xué)是實驗真正直接照亮許多基本方面的領(lǐng)域之一。愛因斯坦只能以抽象的方式思考光子，而現(xiàn)在單光子或少數(shù)光子理論已在實驗室中發(fā)揮作用。

量子力學(xué)作為一種理論已有百年歷史，然而霍弗伯思認為，關(guān)于量子計算的研究，人們目前還沒有真正脫離基礎(chǔ)科學(xué)部分。科學(xué)家們?nèi)栽谧穯栮P(guān)于糾纏以及多體量子系統(tǒng)等問題，這些問題從根本上來說仍懸而未決。

量子計算機的基礎(chǔ)是量子比特，它們基于各種不同的硬件平臺，目的是精確控制盡可能多的量子比特并將其用于計算。然而，不同量子計算機之間很難簡單類比。霍弗伯思說：“現(xiàn)在人們總喜歡說某個技術(shù)平臺的量子計算機已達到多少個量子比特。實際上不同平臺有各自的特性和標準，量子比特數(shù)只是指標之一。這有點像車輛技術(shù)，只談汽車的最高時速是遠遠不夠的，還必須考慮車子是否安全，乘坐是否舒適等。再舉個例子，IBM此前計劃于2025年實現(xiàn)超過1000個量子比特，但現(xiàn)在已把目標調(diào)整為100個效果很好的量子比特。”

技術(shù)平臺各有潛力

至于未來哪一種量子技術(shù)平臺發(fā)展?jié)摿ψ畲螅舾ゲ颊J為，目前說哪個平臺最好并沒有意義。例如，2010年美國和歐洲都制定了量子計劃，但僅提到了離子量子計算和超導(dǎo)量子計算。目前另外兩個平臺已變得同樣具有競爭力，即中性原子和光子。

霍弗伯思說：“過去兩年，美歐各自對這兩個平臺的投資都高達5億歐元左右。現(xiàn)在就量子計算機的發(fā)展路線作出明確判斷還為時過早。研究仍在廣泛的方向上進行，這就是科學(xué)的偉大之處。這對于公司和投資者來說或許有點不幸，但從科學(xué)的角度來看這非常令人興奮。”

除了可行量子比特的數(shù)量有限，量子計算機的核心挑戰(zhàn)還包括其對可能扭曲計算的干擾的高敏感性。當前含噪聲的中尺度量子計算能實現(xiàn)許多量子比特，但對錯誤的敏感性還不夠低，無法可靠地進行計算。不過，科學(xué)家們正在這方面取得進展。

霍弗伯思說：“事實證明，在量子計算機中，糾錯很重要，因為你必須確定如何使這些量子計算機具有容錯能力，以便它們以真正可行的方式工作。去年科學(xué)家們在實現(xiàn)真正糾錯量子信息方面邁出堅實的一步，這是一個非常大的突破。接下來真正重要的一步是在所有平臺上進行糾錯。”

還需經(jīng)典計算支持

在德國，最好的量子計算機在大學(xué)的實驗室里。各家初創(chuàng)企業(yè)在不同的方向上都有所差異，有離子阱量子計算機，有超導(dǎo)量子計算機，還有中性原子量子計算機，所有這些都處于開發(fā)的早期階段。霍弗伯思說：“我們正在研究基于中性原子的量子計算，特別是里德堡原子。”

不管未來量子計算機能否像經(jīng)典計算機那樣發(fā)展到廣泛用于公司和私人家庭的設(shè)備，霍弗伯思認為現(xiàn)階段的量子計算機仍需要經(jīng)典計算的支持。例如，慕尼黑萊布尼茨超級計算中心已成功將歐洲量子計算公司IQM基于超導(dǎo)電路的20量子處理器單元集成到一臺超級計算機中。而于利希超級計算中心正在將包括D-Wave TM退火量子計算機在內(nèi)的多個量子計算設(shè)施納入其基礎(chǔ)設(shè)施中。

霍弗伯思說：“于利希研究中心正在建立的超級計算資源和量子計算資源從一開始就建立在基礎(chǔ)設(shè)施和訪問系統(tǒng)中。我們不能忘記量子計算機也始終需要經(jīng)典計算能力來進行數(shù)據(jù)分析。我們將建造量子計算機，并使用超級計算機來理解和操作量子計算機。這就是為什么從一開始就建立良好的網(wǎng)絡(luò)非常重要。這是一件非常好的事情。”