David Schuster 将实用量子计算机变为现实的探索
随着量子计算机有望迈出一大步，我们采访了一位在该技术领域深耕二十年、致力于释放其巨大潜力的某机构学者。
作者：Sean O'Neill | 2022年10月31日 | 阅读时长 8 分钟
要成为一项可能改变世界的技术的奠基者，需要天赋与机遇的完美结合。物理学家 David Schuster 兼具这两点，他正在开创支撑量子计算机的底层技术。
某机构学者 David Schuster 于 2020 年 10 月加入新成立的某中心量子计算中心。他对计算机和物理学充满热情。在 21 世纪初于布朗大学读本科时，他意识到了量子计算这一新兴领域的存在。“我一听说这个领域，就被‘我可以参与构建一种全新计算机’这个想法深深吸引了，” Schuster 说。他将这一机会视为一种巨大的、恰逢其时的幸运。“在如此基础的层面上产生影响的机会非常令人兴奋。”
为了理解量子计算的巨大潜力，可以将其与普通（或称“经典”）计算机进行对比。经典计算机使用数字比特进行计算，每个比特在任何给定时间代表 0 或 1。简单来说，增加可相互作用的比特数量，会以加法、线性的方式提高计算机的计算能力。一台高端笔记本电脑将拥有 32 GB 的 RAM，即 2560 亿个比特。
相比之下，量子计算机使用量子比特进行计算。每个量子比特可以在任何给定时间同时处于 0 和 1 的叠加态。由于这种仅在极小尺度下发生的“量子叠加”，增加量子比特数量会导致计算能力呈指数级爆发。据估计，对于适当选择的问题，一台仅含 100 个量子比特的、功能完备的量子计算机就能超越当今最强大的超级计算机。
由于量子比特存在的尺度极小且条件极端，制造和控制它们非常困难。不过，可以通过利用各种量子粒子（包括带电原子、电子的自旋方向和光子）来构建量子比特。
就在 Schuster 进入耶鲁大学研究生院时，一项发表的实验证明了超导电路可以转化为量子比特，尽管其量子效应持续时间不到一纳秒。“在早期，只有少数人从事该领域工作，”他回忆道，“一个根本性的问题是，你是否能真正制造出一个电路量子。他们能够直接观测到它！”
受此启发，在耶鲁大学攻读物理学博士期间，Schuster 及其同事对于如何改进量子电路并创造测量其量子态的新方法有了大胆的想法。“我们的方法独特之处在于，我们利用了原子物理学的强大思想，并将其映射到电路上，以构建出行为类似于原子的电路。”
他们创建的基于电路的量子比特包含空腔，能够捕获单个微波光子并与之相互作用（或称为耦合），从而形成一个双能级量子系统，能级代表 0 和 1。这篇具有里程碑意义的论文于 2004 年发表在《自然》杂志上，帮助开创了一个新领域——电路量子电动力学。
Schuster 表示，使用此类电路作为量子比特的基础有很多好处。其中之一是，空腔有助于保护脆弱的量子态免受外部干扰，同时允许量子比特之间进行强相互作用，这对计算至关重要。
2007 年，Schuster 及其同事在《物理评论 A》上发表了另一篇里程碑式论文。在论文中，他们介绍了一种新型超导量子电路，并创造了“transmon”一词。更巧妙的物理学设计使得对噪声的敏感度大幅降低，并增强了量子比特-光子耦合，同时保持了对量子比特的控制能力。这种相对简单的 transmon 已成为行业标准，构成了某机构及其他计算巨头相关工作的基础。有些人认为 transmon 是超导量子计算机的“晶体管”。
2010 年，Schuster 搬到芝加哥大学，在那里建立了自己的实验室，探索和开发一系列量子技术。例如，今年 Schuster 实验室团队发表了一项研究，展示了他们称之为“量子笛”的硬件，能够同时控制多个微波光子。该团队称这项工作朝着高效量子 RAM 和量子处理器迈出了重要一步。
今年，Schuster 将转往斯坦福大学应用物理系，他实验室的其他成员将于 2023 年与他一同前往。然而，在 2022 年剩余时间里，Schuster 的大部分时间将花在该量子计算中心的工作上。
量子系统面临的关键挑战之一是量子态极其脆弱。考虑一下普通计算机，一个比特可能由来回晃动的十亿个电子组成，它们的位置代表 0 或 1。“即使丢失一些电子也没关系，因为内置了冗余。但就量子比特而言，只有一个光子，没有冗余，” Schuster 说，“除了可能完全丢失光子外，来自环境的最轻微噪声也可能扰乱量子叠加态，从而产生错误。” 这种噪声风险是量子计算通常需要超导材料和接近绝对零度的温度才能运行的原因之一。
而量子态只能维持极短时间这一事实加剧了错误问题。“我喜欢开玩笑说，我的目标是让量子比特能持续眨眼那么久，” Schuster 说。他表示，目前拥有多个量子比特的最先进设备可能声称其退相干时间约为 100 微秒（0.0001 秒）。
退相干意味着脆弱的量子态的丧失。这种信息丢失会导致微小的计算错误，这些错误会迅速倍增，可能使任何输出结果毫无价值。而且，参与的量子比特越多，错误积累得越快。由于领先的量子处理器目前包含多达数百个（各种性质的）量子比特，我们正处于加州理工学院理论物理学家、某机构学者 John Preskill 所称的“嘈杂中等规模量子”时代。
“当我们让大约 100 个量子比特相互作用时，错误变得非常大，以至于你无法真正做太多事情，因此现在制造 1000 量子比特的系统没有意义，” Schuster 说。
不过，退相干是一个可以处理的问题，包括 Schuster 及其实验室成员在内的研究人员正在不懈地解决它。幸运的是，在量子计算机成功扩展之前，不需要完全克服退相干。Schuster 的量子系统中量子比特的准确率已经远高于 99%。事实上，作为一个科学领域，准确率已经变得如此之高，以至于一个阈值正在逼近，Schuster 说，超过这个阈值，复杂的纠错算法将能够抵消由量子比特脆弱性引起的剩余问题。
“一旦我们将错误率降低到足够低，扩展规模实际上会导致更少的错误，”他说，“某机构的努力正集中于实现这一纠错目标，因为只有这样我们才能真正制造出一台大规模的量子计算机。”
Schuster 的量子之旅已经进行了二十年。事情变得更容易了吗？“刚开始的时候，一切看起来都是不可能的，但我们还是尝试了，”他说，“现在，问题似乎不一定再是不可能了，但它们仍然极其困难。”
那么，为什么现在加入某机构呢？“团队的质量非常吸引人，”他说，“而且某机构的努力是实验性的和大胆的——他们在尝试不同的方法。我认为某机构理解这一挑战的真正艰巨性以及量子计算对其客户（通过某云服务）的最终价值，所以他们很有耐心。”
众所周知，量子计算的出现将对在线安全和加密产生巨大影响，因为目前用于保护在线数据的最高级别保护将无法抵御量子计算机的强大能力。量子计算将带来不可破解的加密。
除了安全影响，我们还能期待哪些其他有用的应用？Schuster 说，存在整类科学问题对于经典计算机来说是棘手的，但应该能被量子努力所攻克。他对更好地理解量子力学在其中扮演重要角色的材料的潜力感到个人层面的兴奋。“许多特殊材料涉及我们不了解的复杂量子相互作用，目前，大约 30% 的超级计算机容量用于解决量子力学问题，”他说。
在经典计算机上解决量子力学问题是低效的，他补充道。“涉及 20 个粒子或状态的非常小的量子系统，你也许能在笔记本电脑上解决。但如果涉及 50 个，即使是世界上最大的超级计算机也无法真正处理太多。”
在量子计算机上进行的此类研究可能对发现用于可再生能源、计算、化学、医学等领域的新材料产生重大影响。
Schuster 的量子电路也有一些令人惊讶的可能性。“我从未预料到这一点，但我最终参与了寻找暗物质的工作，”他说。有一种被提出的暗物质类型——低质量玻色子——会偶尔与普通物质相互作用，导致产生单个微波光子。碰巧的是，Schuster 的量子比特电路能够捕获并测量这些光子。“我们可以用量子比特来探测这些新产生的光子，”他解释说，“使寻找这类暗物质的速度提高了大约 1000 倍！”FINISHED
