牛津大學物理系公開課（專訪牛津副校長）

2023-04-18 19:28:17 2

人類距離第一臺量子計算機還有多遠？牛津大學副校長、英國量子信息技術中心（NQIT）主任伊恩·沃姆斯利（Ian Walmsley）笑著說道，這個問題起碼值幾十億美元，他倒也很希望自己能夠回答。

隨著「摩爾定律」趨向極限，量子計算已經成為必爭之地。這無疑是一場豪賭：各家科技巨頭都相信，自己重金押注的路徑，能搶先開發出商業化的量子計算機，摘得「量子霸權」（Quantum Supremacy）。「量子霸權」是加州理工學院教授約翰·普雷斯基爾（John Preskill）提出的概念，指的是當人類可以操控超過50個量子比特時，量子計算機的計算能力就能超越目前最好的經典計算機。

作為行業領頭羊，谷歌選擇了超導迴路技術。今年6月，谷歌宣布成功研發含有20個量子比特的處理器，並將在2017年底前增至49個量子比特，直指「量子霸權」。超導迴路是量子計算領域近期發展最快的方向，IBM也已為此投入大量資金。另一科技巨頭微軟則選擇一個尚未得到驗證的方向：拓撲量子比特。

沃姆斯利介紹道，雖然英國量子信息技術中心也在探索超導迴路，但他們的主攻方向是一項發展較為成熟的技術：離子阱。所有這些路徑，成功率都是未知的。「谷歌說今年就能實現量子計算機。其他幾家也都說自己有獨到的優勢。看起來，量子計算機成真的日子就快要到來了。我可能會說幾年後吧。」 沃姆斯利說道。

不過，沃姆斯利提醒道，所謂的「量子霸權」，也僅僅只是第一步：在一些特殊任務上，量子計算機可以超過最好的經典計算機。「這些任務是專門為量子計算機勝出而設計的『遊戲』，沒有任何實用價值。」

沃姆斯利甚至認為，量子計算機其實並沒有很多人想像的那麼重要：「量子計算機不可能取代經典計算機。量子計算機和經典計算機會各幹各的活。我們手中的筆記本，不會像光碟一樣直接被淘汰掉。」

英國國家量子技術項目：希冀科學「日不落」

沃姆斯利是超快光學與量子光學領域的著名學者，英國皇家學會、美國光學學會、美國物理學會和英國物理研究所的成員。他從2009年起擔任牛津大學科研副校長，主管科研和創新工作。

在2013年的秋季預算中，英國政府專門撥款2.7億英鎊（約合25億元人民幣），支持英國國家量子技術項目（UKNQTP）的第一個「5年計劃」。項目包含4個研究中心，分別由四所高校主持。除了牛津大學領導的量子信息技術中心之外，還有伯明罕大學領導的量子傳感和測量中心、約克大學領導的量子通信中心、格拉斯哥大學領導的量子先進成像中心。

沃姆斯利說道，英國政府很早就圈定了一批有潛力推動經濟發展、值得深耕的「未來技術」，量子技術就是其一。「我們希望英國能繼續保持科技大國的地位，牛津大學所做的這一切，就在盡一份力。」

量子技術：10億英鎊的未來產業。

根據英國政府曾發布報告，指出中國在量子技術的論文發表上排全球第一；美國在量子技術的資金投入和專利申請上排全球第一；英國的綜合排名處在全球第三位。為了保持與中、美、加拿大的競爭力，歐盟計劃於2018年啟動長達10年、規模10億歐元的量子技術旗艦項目。

面對「群雄逐鹿」的局面，沃姆斯利認為，英國在量子技術投資起步很早，在項目規劃和實施上有一定優勢。在總計2.7億英鎊的預算中，他領導的量子信息技術中心拿到了3800萬英鎊經費。「我們中心正在不斷提高單個組件的性能。我們開發出了目前世界上最好的量子邏輯門和最成熟的計算機體系結構。我們已經開始規劃下一個5年，進一步與產業界合作。要想讓量子技術走向實用，這是非常關鍵的一步。」

與產業的密切合作，是英國國家量子技術項目的一大特色。項目明確指出，要建立一個「政府、學界、產業界的量子技術共同體」。沃姆斯利以量子信息技術中心為例，介紹了其中的合作方式：「首先，一些產業界人士會在項目設計時提供建議。其次，我們的一些產業合作者未來會成為量子技術供應鏈中的緩解。第三，一些合作者會發掘、利用中心裡湧現的新點子。最後，一些合作者是量子計算機的潛在用戶。他們在探索量子計算如何為他們所用的同時，幫助塑造了我們這個項目。」目前，中心與將近30家企業建立了合作關係。

NQIT「產業日」。 UKNQTP 圖

不過，對大多數人而言，量子技術不僅晦澀深奧，而且縹緲難測。畢竟，量子技術整體還停留在理論設計的層面，很多路徑都未曾得到驗證。說服投資者是一個關鍵的過程。「是的，量子計算仍屬於未來，但我認為它是可以實現的」，沃姆斯利說道，「我們會開發一些模擬量子計算機的程序，在高性能經典計算機上運行。雖然表現會受限，但起碼你能對這種未來的機器有那麼一點概念。我們想讓產業界參與進來，一起探索可能性。一旦有所進展，他們就會樂意投資更多。」

此外，4個量子技術中心在術業有專攻的同時，也在多個層面上交流合作。沃姆斯利舉例道，量子計算用以冷卻離子的技術，就與原子傳感器採用的技術類似。量子計算採用的網絡協議，也與量子通信有共通之處。

離子阱與量子計算

經典計算機的比特要麼是「0」，要麼是「1」，而量子計算機中的量子比特，可以同時是「0」和「1」。1997年的諾貝爾物理學獎得主威廉·菲利普斯曾說過，量子計算機和經典計算機之間的差距，比經典計算機和算盤之間的差距還要大。

什麼是量子？量子是物理學中不可再分的基本單元，由德國物理學家普朗克在1900年首次提出。比如，光子就是量子性的，不存在「半個光子」的說法。

科學家們在量子這個維度的世界上，發現了許多奇妙的現象，比如量子「疊加態」。量子比特可以同時處於「0」和「1」的疊加態，就像薛丁格那隻既生又死的貓。如果我們有400個量子比特，就可以存儲2的400次方個信息，這無疑是個天文數字。此外，疊加態的特性，也讓真正意義上的並行計算成為可能。

而為了實現量子邏輯門計算，科學家們還需要利用另一種量子的奇妙現象：糾纏態。處於糾纏態的兩個量子不論相距多遠都存在一種關聯，其中一個量子狀態發生改變（比如人們對其進行觀測），另一個的狀態會瞬時發生相應改變，仿佛「心靈感應」。

通過雷射，人們就能實現原子的糾纏。這些經過超冷處理的原子被囚禁在真空中，由雷射束組成控制離子狀態的通道網絡。一個離子阱就像算盤一樣，不斷把原子們撥來撥去。而這個網絡結構是可以不斷擴張的。沃姆斯利說道，如果說谷歌的超導迴路是一個晶片的話，他們的方案就是製作很多個小晶片。一個個離子阱，可以通過光學元件進行連接。英國量子信息技術中心的最終目標，是製造一臺Q20:20的量子計算機樣機，包含20個離子阱，每個離子阱裡囚禁20個原子。這等於說是一臺400比特的量子計算機。

不過，目前中心只拿到了5年的經費。沃姆斯利介紹道，在第一個5年內，他們要顯示出搭建起這種網絡的能力，完成所有必要的基本元素。在下一個5年內，他們會試圖搭建起一個足夠大的網絡，以演示簡單的算法，或實現足夠長時間的量子儲存。如果這些都做到了，再下一個5年，他們將製造完整的機器。

沃姆斯利也注意到了中國在量子計算，尤其是模擬機方面的進展：「中國擅長利用冷原子技術或光學技術製作處理器。我想這個領域會更早實現，只是會應用於一些更為細分的任務。這是一個量子計算與傳統計算技術之間的雜交領域，國際競爭也很激烈。」

中國目前是量子通信唯一玩家

自5年前首次訪問中國以來，這已經是沃姆斯利第四次拜訪這個國家。「近10年來，中國在科學方面的投入大大增加，我們也有了更多的交流機會。」他說道。

即使還在英國的時候，沃姆斯利也已經感受到中國的變化。2004年，他收了第一個中國研究生。他笑著說：「他現在在南京大學當教授。這也是交流增加的方式之一。我可以更頻繁地過來了。」沃姆斯利非常欣賞這種派出留學生再「海歸」的機制，「這是促進整體科研的關鍵部分。」

沃姆斯利認為，中國最近在科學和教育方面的發展速度十分驚人，假以時日，實力會更加雄厚。即使就眼下而言，中國也站在了國際科研競爭的前沿。2016年8月，中國發射了全球首顆量子通信衛星「墨子號」。沃姆斯利評價道，這是一項了不起的成就：「目前，中國肯定是量子通信領域的唯一玩家，未來也很有可能一路領跑。中國政府的投入、中國科學家的研究成果，舉世矚目。我認為這是一種良好的路徑：理論驅動技術進步。」

全球首顆量子通信衛星「墨子號」。

不過，近來中國在科學大裝置等領域的投入也引發了一些爭議。楊振寧就公開反對中國上馬大型對撞機。沃姆斯利同樣認為，平衡科研投入和民生投入不是一件容易的事，但科研能幫助我們應對未來的挑戰：「我們需要解決或緩解眼前特定的問題，但我們也需要新的發現。未來還會有新的問題湧現，我們現在就需要進行基礎研究，這樣未來才能產生新的發現，以幫助解決那時候的問題。當然了，我們一定要盡力鼓勵那些高質量的好點子。此外，建立一種將科研發現與現實問題結合的機制也很重要。兩者都不能忽視。」

作為世界上最古老的大學之一，牛津大學培養了27位英國首相和50餘位諾貝爾獎得主。而關於如何建立一所世界頂級大學，沃姆斯利的「經驗介紹」異常簡單：「專注做最好的科研工作，提供最好的教育。如果你能專注地做好這些，就能取得卓越。」