量子计算的“极寒”开始“融化”了吗？

“量子计算的极度深寒开始融化。”这是最近，某媒体关于《自然》杂志（Nature）同期“背靠背”发表两篇有关“高温量子”研究成果的报道中的一句评价。这个评价虽说不上妙到毫巅，但确实很值得鉴赏鉴赏。在“鉴赏”之前，先声明一下，这个成果很有意思，也很有意义，Nature能够在同一期刊发两篇“相似”的研究成果，也正说明了这一点。先别担心看不懂，我尽量“说人话”把这个进展说清楚。好了，我们回到“量子计算的极寒开始融化”的话题。

此图将有助于帮助理解本文，截自电影《西游·降魔篇》先说“极寒”

Nature4月16日发表的这两篇有关“高温量子”的文章，的确是有关对量子芯片运行所需“极寒环境”进行改善方面的，改善的方向也恰好是“升温”——从原来的无限接近绝对零度，到比绝对零度高出1．5开尔文。

升高1．5开尔文（K）就是升高1．5摄氏度（℃），K和℃这两个单位的计数起点不一样：摄氏度的0度是冰水混合物的温度，开尔文温度的零度就是绝对零度（－273．15℃）。

你可能会问，量子芯片运行为什么需要“极寒环境”？你大可理解为，量子比特非常不稳定。到什么程度呢？稍有扰动就容易失稳，哪怕是我向量子计算系统里增加几个量子比特所产生的热量，就会干扰到它们的量子态，进而让整个量子计算系统报废。

于是，现在国际上正在开发的大多数量子计算机系统，只能在绝对零度以上的十分之一度内工作，温度高一点都不行。代价也很巨大：正所谓“绝对零度无法达到”，要构建这种极寒环境，需要开发接近极限的制冷技术。

再直白点，就是需要大把烧钱。要构建这样的制冷机，动辄数百万美元。你别嫌贵，关键时刻你有钱都买不到——2019 年 12 月，美国商务部的一份内部文件提出，“限制向中国等美国在量子计算上的竞争对手出口稀释制冷机”，说的就是它。再说“融化”Nature这两篇论文的研究成果，就是冲着“极寒”来的。两篇论文的两个团队分别来自澳大利亚新南威尔士大学和荷兰代尔夫特理工大学。两家相隔这么远但用的是同一个理论方法，为什么？因为荷兰团队的领头人Menno Veldhorst，曾经是澳大利亚团队项目leader——Andrew Dzurak教授小组的博士后研究员。你可能又有问题：那荷兰团队算抄袭吗？明确说，不算。因为原理提出跟试验验证，本就是物理学界常有的事儿，当初Dzurak提出来的理论方法，除了自己验证，也允许其他团队验证。所以两个团队的成果其实是相互独立、相互印证的。再多说一句，Dzurak这边出结果还是比Menno这边快了8个月（试验工作由该组量子实验科学家兼工程师杨智寰主导，他是一位华人科学家），一个是2019年2月，一个是2019年10月。

杨智寰（左）和Andrew Dzurak（右）Credit－ Paul Henderson－Kelly

我们接着说“融化”的事儿。前边已经说了，通过一顿操作猛如虎，两个团队把量子芯片系统可以工作的温度提高到了1．5K（荷兰团队升温到1．1K），这个温度，是原来所需“极寒”环境温度的15倍。