尽管在量子计算领域工作了几十年，东京大学的古泽明教授（Akira Furusawa）依然无法预见量子计算时代的具体样貌。在他看来，这一点与互联网发展类似：互联网从根本上改变了生活的方方面面，却往往是以我们预先未曾想象的方式。同样，量子计算机终将改变社会，只是现在很难预测它改变的方式。日前，Nature portfolio报道了他近期的研究工作。

 

如今，我们的工作、社交、购物和休闲娱乐，都极大依赖于互联网，“人工智能”、“物联网”、“大数据”等名词统统都在新闻里买房安家。然而这一切正在消耗大量电力，一座中型核电站的发电量仅能支撑一台千万亿次级超算的年消耗，再加上经典计算机性能和光通信能力正在接近极限，整个社会的算力显然无法以当前的速度持续增长。

 

作为下一代信息处理技术，量子计算机的实用化落地被认为是唯一可行的解决方案：量子计算机不仅仅是比经典计算机更快、性能更强，而是从根本上有所差异。经典计算机使用0和1执行计算，而量子计算机基于与经典力学迥异的量子力学效应，能够使用0和1之间连续的数字范围执行计算。

 

更确切的说，量子计算机的运算基于是数学中的复数（complex numbers）与矩阵乘法完成预算的，而不是经典计算机使用的实数（real numbers），这从根本上增加了新的计算维度。用古泽明教授的话说，“我们谈论的是一种完全不同的‘猛兽’。”

 

图片来源于网络

 

尽管古泽明教授还无法预见量子计算机将会如何改变社会，但他坚信在未来，量子计算机的未来将由光驱动。“我们的最终目标是开发超高速、超大规模的量子计算机，我相信光量子是最有希望实现这一目标的技术方式。”

 

押注光量子

 

目前量子计算硬件有多条技术路线并行发展，呈现开放竞争态势。整体来看有两大类：

 

1、以超导、硅半导体为代表的人造粒子路线，能够利用现有的半导体集成电路制造工艺，在量子比特数量扩展方面占据优势，但受加工工艺等限制，在量子比特控制、保真度等指标提升方面面临艰巨挑战；

 

2、以光量子、离子阱、中性原子为代表的天然粒子路线，具有长相干时间和高逻辑门精度等优势，但存在量子比特数量扩展方面的难点。

 

古泽明教授坚信，从长远来看，使用光量子进行计算具有压倒性优势，光量子计算机定会最终胜出。他给出两方面依据：

 

首先，光可以比其他技术更快地执行操作。由于光的振荡频率远高于电子电路中的信号频率，因此使用光子学技术（利用光/光子来实现信息的传输、处理和存储的技术），能够实现较电信号快约10,000倍的处理速度。

 

基于这一速度优势，古泽明教授预测将出现一个大规模向光基技术转变的时代。“我相信我们正在进入一个光子学技术时代，一切都将变得光子学化，目的是利用光的速度优势。”

 

由500多个高性能反射镜和透镜组成的试验机

 

目前，制造快速超级计算机的方法是同时利用多个处理器实现并行计算，而这会消耗大量能源，这是行业面临的主要问题，但若换作光量子计算机，情况将大不相同。

 

对此，东京大学讲师、古泽明教授团队成员远藤守（Mamoru Endo）解释道：“对光量子计算机来说，基本操作单元的能耗极低，这意味着可以同时使用许多处理器。想象一下，从数量上来说，如果我们能够构造比现今的超级计算机大100倍的处理器，以及光子学过程的时钟频率（计算机的时钟频率是用来衡量处理器速度的重要参数）比电学快10,000倍，那计算机的潜在处理速度就将提高一百万倍。”

 

其次，光量子计算机在数据传输和处理阶段均使用光信号，而其他量子平台（如超导量子计算机或硅半导体量子计算机）则需要进行信号转换，例如数据传输阶段使用光信号，处理阶段则通常需要转换为电信号或其他形式的量子信号，这种转换会引入额外的噪声、复杂性和能量损耗，影响计算准确性和速度。

 

低能耗、高计算效率，是光量子计算机的显著优势。

 

量子隐形传态与非线性的挑战

 

古泽明教授和他的团队正在采用一种革命性的技术：利用量子隐形传态（quantum teleportation）来制造光量子计算机。

 

想象你有一台存储着顶级商业机密的手机，将它放入一个特殊的发送装置，它立刻就在你眼前消失了，并在同一瞬间出现在相隔千万里的另一个特殊接收装置中，轻松被你的老板拿到。这就是量子隐形传态，它利用了量子的一种“纠缠”特性，当一对光子处于纠缠状态时，将信息输入给其中一个光子，另一个光子也会瞬时得到完全相同的信息。

 

为了利用量子隐形传态来执行量子计算，古泽明教授团队构建了被称为“量子查找表”（quantum lookup table）的模型，这是一种包含了所有可能的输入、输出关系的叠加。模型构建完成后，他们就可以利用这个模型进行单次测量。

 

一个“量子查找表”模型，
用于在光量子计算机中执行计算。

 

由于测量结果是随机的，因此古泽明教授团队引入了前馈机制来消除随机性。通过这种方式，他们实现了两个纠缠量子比特（qubits）之间的传态，这也是世界上首个利用这种类型传态的实验。

 

更为重要的是，这种方法使用了一种原创的多路复用（multiplexing）思路。多路复用技术一般是指通过共享同一个传输介质或通道来传输多个信号，古泽明教授团队通过将多个信号合并成一个信号，实现在时间而非空间上对信号进行切割和合并，这一点至关重要，因为它提供了一种可扩展的方法来构建大规模量子计算机。“由于无需使用芯片进行多路复用，这使我们能够创建大规模量子计算机”，古泽明教授团队成员远藤守这样说到。

 

要开发实用光量子计算机，就必须克服一些重大挑战，其中之一便是实现非线性，这是分析复杂实际应用场景的关键。经典计算机擅长解决可以用简单数学函数表示的线性问题，但量子计算机可以利用量子间相互作用的非线性特性，解决现实世界中比比皆是的非线性现象。然而，在量子设备中通常使用的低强度（光子数量少或光功率低）下，光的相互作用呈线性。

 

古泽明团队的目标是用光纤取代大量的透镜

 

在超导等其他量子计算机系统中创造非线性是非常容易的，因为它们本质上就是非线性系统，但要利用光实现这一点非常具有挑战性，因为光在低强度下基本上是线性的。“这对我们来说是最困难的部分。”远藤表示：“我们正试图通过注入使用光子探测器产生的特殊量子态来引入非线性。”

 

光量子计算机的未来

 

古泽明教授的这一项目是日本政府“量子计算登月计划（Moonshot Goals）”的一部分，该计划旨在到2050年开发出容错的大规模通用量子计算机，这种量子计算机不仅代表着技术上的飞跃，更意味着一场算力革命。

 

尽管距离这一目标还有很长的路，但光量子计算技术已经率先达到了可以商业化的程度，放眼全球，截至目前，量子计算行业最大的融资规模就落在光量子技术路线上。“我们目前正在开发一种用于神经网络的实用化量子计算机，打算创立一家初创公司，并在今年提供云端访问。”古泽明教授说：“这并不是个梦想，光量子计算机在短期内就能够进行实际应用。”

 

古泽明教授预测，长期来看，量子计算将转向光基技术。“我认为基于驻波的经典量子比特时代已经结束，我们将看到基于行波的光量子比特的兴起。我的梦想，就是看到所有计算机都变成光量子计算机。”

 

本文转载自微信公众号：量子前哨

参考文章：

https://www.nature.com/articles/d42473-023-00436-7

http://www.alice.t.u-tokyo.ac.jp/index.php

 

 

尽管在量子计算领域工作了几十年，东京大学的古泽明教授（Akira Furusawa）依然无法预见量子计算时代的具体样貌。在他看来，这一点与互联网发展类似：互联网从根本上改变了生活的方方面面，却往往是以我们预先未曾想象的方式。同样，量子计算机终将改变社会，只是现在很难预测它改变的方式。日前，Nature portfolio报道了他近期的研究工作。

 

如今，我们的工作、社交、购物和休闲娱乐，都极大依赖于互联网，“人工智能”、“物联网”、“大数据”等名词统统都在新闻里买房安家。然而这一切正在消耗大量电力，一座中型核电站的发电量仅能支撑一台千万亿次级超算的年消耗，再加上经典计算机性能和光通信能力正在接近极限，整个社会的算力显然无法以当前的速度持续增长。

 

作为下一代信息处理技术，量子计算机的实用化落地被认为是唯一可行的解决方案：量子计算机不仅仅是比经典计算机更快、性能更强，而是从根本上有所差异。经典计算机使用0和1执行计算，而量子计算机基于与经典力学迥异的量子力学效应，能够使用0和1之间连续的数字范围执行计算。

 

更确切的说，量子计算机的运算基于是数学中的复数（complex numbers）与矩阵乘法完成预算的，而不是经典计算机使用的实数（real numbers），这从根本上增加了新的计算维度。用古泽明教授的话说，“我们谈论的是一种完全不同的‘猛兽’。”

 

图片来源于网络

 

尽管古泽明教授还无法预见量子计算机将会如何改变社会，但他坚信在未来，量子计算机的未来将由光驱动。“我们的最终目标是开发超高速、超大规模的量子计算机，我相信光量子是最有希望实现这一目标的技术方式。”

 

押注光量子

 

目前量子计算硬件有多条技术路线并行发展，呈现开放竞争态势。整体来看有两大类：

 

1、以超导、硅半导体为代表的人造粒子路线，能够利用现有的半导体集成电路制造工艺，在量子比特数量扩展方面占据优势，但受加工工艺等限制，在量子比特控制、保真度等指标提升方面面临艰巨挑战；

 

2、以光量子、离子阱、中性原子为代表的天然粒子路线，具有长相干时间和高逻辑门精度等优势，但存在量子比特数量扩展方面的难点。

 

古泽明教授坚信，从长远来看，使用光量子进行计算具有压倒性优势，光量子计算机定会最终胜出。他给出两方面依据：

 

首先，光可以比其他技术更快地执行操作。由于光的振荡频率远高于电子电路中的信号频率，因此使用光子学技术（利用光/光子来实现信息的传输、处理和存储的技术），能够实现较电信号快约10,000倍的处理速度。

 

基于这一速度优势，古泽明教授预测将出现一个大规模向光基技术转变的时代。“我相信我们正在进入一个光子学技术时代，一切都将变得光子学化，目的是利用光的速度优势。”

 

由500多个高性能反射镜和透镜组成的试验机

 

目前，制造快速超级计算机的方法是同时利用多个处理器实现并行计算，而这会消耗大量能源，这是行业面临的主要问题，但若换作光量子计算机，情况将大不相同。

 

对此，东京大学讲师、古泽明教授团队成员远藤守（Mamoru Endo）解释道：“对光量子计算机来说，基本操作单元的能耗极低，这意味着可以同时使用许多处理器。想象一下，从数量上来说，如果我们能够构造比现今的超级计算机大100倍的处理器，以及光子学过程的时钟频率（计算机的时钟频率是用来衡量处理器速度的重要参数）比电学快10,000倍，那计算机的潜在处理速度就将提高一百万倍。”

 

其次，光量子计算机在数据传输和处理阶段均使用光信号，而其他量子平台（如超导量子计算机或硅半导体量子计算机）则需要进行信号转换，例如数据传输阶段使用光信号，处理阶段则通常需要转换为电信号或其他形式的量子信号，这种转换会引入额外的噪声、复杂性和能量损耗，影响计算准确性和速度。

 

低能耗、高计算效率，是光量子计算机的显著优势。

 

量子隐形传态与非线性的挑战

 

古泽明教授和他的团队正在采用一种革命性的技术：利用量子隐形传态（quantum teleportation）来制造光量子计算机。

 

想象你有一台存储着顶级商业机密的手机，将它放入一个特殊的发送装置，它立刻就在你眼前消失了，并在同一瞬间出现在相隔千万里的另一个特殊接收装置中，轻松被你的老板拿到。这就是量子隐形传态，它利用了量子的一种“纠缠”特性，当一对光子处于纠缠状态时，将信息输入给其中一个光子，另一个光子也会瞬时得到完全相同的信息。

 

为了利用量子隐形传态来执行量子计算，古泽明教授团队构建了被称为“量子查找表”（quantum lookup table）的模型，这是一种包含了所有可能的输入、输出关系的叠加。模型构建完成后，他们就可以利用这个模型进行单次测量。

 

一个“量子查找表”模型，
用于在光量子计算机中执行计算。

 

由于测量结果是随机的，因此古泽明教授团队引入了前馈机制来消除随机性。通过这种方式，他们实现了两个纠缠量子比特（qubits）之间的传态，这也是世界上首个利用这种类型传态的实验。

 

更为重要的是，这种方法使用了一种原创的多路复用（multiplexing）思路。多路复用技术一般是指通过共享同一个传输介质或通道来传输多个信号，古泽明教授团队通过将多个信号合并成一个信号，实现在时间而非空间上对信号进行切割和合并，这一点至关重要，因为它提供了一种可扩展的方法来构建大规模量子计算机。“由于无需使用芯片进行多路复用，这使我们能够创建大规模量子计算机”，古泽明教授团队成员远藤守这样说到。

 

要开发实用光量子计算机，就必须克服一些重大挑战，其中之一便是实现非线性，这是分析复杂实际应用场景的关键。经典计算机擅长解决可以用简单数学函数表示的线性问题，但量子计算机可以利用量子间相互作用的非线性特性，解决现实世界中比比皆是的非线性现象。然而，在量子设备中通常使用的低强度（光子数量少或光功率低）下，光的相互作用呈线性。

 

古泽明团队的目标是用光纤取代大量的透镜

 

在超导等其他量子计算机系统中创造非线性是非常容易的，因为它们本质上就是非线性系统，但要利用光实现这一点非常具有挑战性，因为光在低强度下基本上是线性的。“这对我们来说是最困难的部分。”远藤表示：“我们正试图通过注入使用光子探测器产生的特殊量子态来引入非线性。”

 

光量子计算机的未来

 

古泽明教授的这一项目是日本政府“量子计算登月计划（Moonshot Goals）”的一部分，该计划旨在到2050年开发出容错的大规模通用量子计算机，这种量子计算机不仅代表着技术上的飞跃，更意味着一场算力革命。

 

尽管距离这一目标还有很长的路，但光量子计算技术已经率先达到了可以商业化的程度，放眼全球，截至目前，量子计算行业最大的融资规模就落在光量子技术路线上。“我们目前正在开发一种用于神经网络的实用化量子计算机，打算创立一家初创公司，并在今年提供云端访问。”古泽明教授说：“这并不是个梦想，光量子计算机在短期内就能够进行实际应用。”

 

古泽明教授预测，长期来看，量子计算将转向光基技术。“我认为基于驻波的经典量子比特时代已经结束，我们将看到基于行波的光量子比特的兴起。我的梦想，就是看到所有计算机都变成光量子计算机。”

 

本文转载自微信公众号：量子前哨

参考文章：

https://www.nature.com/articles/d42473-023-00436-7

http://www.alice.t.u-tokyo.ac.jp/index.php