世界首台常温量子计算机启用！无需绝对零度，主核竟然「镶钻」

编辑：拉燕 好困

【新智元导读】21世纪初「一直有进展、永远没落地」的吹嘘性科技项目中，室温量子计算机终于脱离此列，世界首台真正安装、实用的样本终于实现了！顺便，新加坡也表示要斥资1亿发展自己的量子计算机。

量子计算可谓是目前最令人兴奋（和被炒作）的研究领域之一。

在这方面，德国和澳大利亚的初创公司Quantum Brilliance最近干了件大事。

世界上第一台基于金刚石的室温量子计算机在遥远的大洋洲成功安装！

世界第一台商用室温量子计算机

简单来说，Quantum Brilliance的这台量子计算机，既不需要绝对零度，也不需要复杂的激光系统。

那么，为什么说室温是一件值得拿出来好好说道说道的事情呢？

量子计算系统的基本思想是，量子比特能够处于一种不仅仅是「1」或「0」的状态，而是某种称为「叠加态」的组合。

这意味着两个量子比特可以处于「01」、「10」、「11」和「00」的叠加状态，从而可以表示更多的状态和数据。

但是问题来了，这些系统对其环境仍然非常敏感，量子比特只能在很有限的时间内保持给定的叠加态，也就是「相干时间」。而相干时间如果受限，就会导致量子比特执行的计算中出现错误。

在传统的量子计算机中，需要用特殊的冷却方法来保证量子相干性，而室温的量子计算机则可以省去这个步骤。

量子的相干性，或者换句话说，粒子的行为必须像波（波动性）的这一特点，是一切量子效应的基础。

那么，Pawsey是如何实现量子计算机室温运行的呢？

这就要提到Quantum Brilliance使用的独特的量子计算方法。

他们利用了合成金刚石中天然存在的氮空穴中心的优点，而没有使用传统的离子链、硅量子点或是超导传输量子比特。

氮空穴指的是金刚石晶格中的一个缺陷，它由邻近空穴的替代氮原子组成。

这些氮空穴中心具有光致发光（photoluminescence）的能力，能根据发射出来的光线特点读取量子比特的自旋，不再需要直接和量子比特相互作用。

很多技术，比方说磁场、电场、微波辐射还有光，都可以直接用来操控氮空穴的电子自旋。

具有氮空穴的金刚石晶格结构

根据公司此前发布的白皮书介绍，室温运行的金刚石量子计算机由一个处理器节点阵列组成。

每个处理器节点由一个氮空穴（NV）中心和一簇核自旋组成：固有的氮核自旋和多达4个附近的13C核自旋杂质。

而核自旋，则充当计算机的量子比特，氮空穴作为量子总线，介导量子比特的初始化和读出，以及节点内和节点间的多量子比特操作。

2021年时，已证明的初始化和读出保真度超过99.6%，而单量子比特和双量子比特的门控保真度分别超过99.99%和99%，相应的门控时间约10微秒。

有工作表明，使用更先进的量子控制技术，门的保真度可以超过99.999%，门的操作时间可以低于1微秒。

由于注入掩模制造的限制和注入离子的散射，使用现有的「自上而下」的氮离子注入入技术来创建NV中心，无法实现这种精度。

Quantum Brilliance的关键发明之一是一种「自下而上」的原子级金刚石精确制造技术，通过表面化学和光刻技术规避上述这些限制。而另一项重要发明是集成量子芯片，它将钻石量子计算机的电、光、磁控制系统小型化和集成化。

不过，据白皮书显示，该系统只有5个量子比特，这与谷歌的72个量子比特相比，显然还相去甚远。

量子加速器+超算=？

现在，大多数量子计算工作都是在IBM的Quiskit和Nvidia的cuQuantum计划等平台上的模拟环境中完成的。

而且，目前量子计算机的主流是大型机，大型是从尺寸上说的，现有的产品通常占地几平米，甚至一个房间大小。

这是因为各种量子硬件限制了大型机的尺寸，因为它们是需要在超低温和/或超低压以及复杂的控制系统才能运行的大型脆弱机器。

如果没有室温量子计算机，那么情况就会是在全世界每个超级计算和云计算设施中有几个量子大型机，但是想要推广到广泛应用的程度，还做不到。

在超级计算中心内部署室温量子计算机，将使研究人员能够真正利用现场计算、维护和集成。

同时，与Pawsey超级计算研究中心的合作，也是为了通过建立初始的混合环境，来加速量子和经典系统的配对，这种环境可以诊断瓶颈，并对量子经典集成进行可能的改进。

Pawsey的执行董事Mark Stickells表示，把量子加速器集成到HPC架构中将有助于其4000名研究人员更多地了解这两个系统如何才能协同工作。

这将提供一个可以证明实际应用的试验台，因此我们的研究人员可以更有效地开展工作——促进量子科学的发展并加速未来的研究。

「这是迈向混合计算未来的关键一步。」

斥资超1亿：新加坡要建第一台量子计算机

5月31日，在新加坡亚洲科技展（Asia Tech x Singapore）上，副总理、经济政策统筹部长兼国家研究基金会主席王瑞杰宣布，量子工程计划（QEP）正式启动。

新加坡将联合三个国家平台来发展量子计算、量子安全通信和量子设备制造方面的能力。

根据新加坡的研究、创新和企业2020计划，该计划向这三个平台投入2350万新币（约1.14亿人民币），为期最长3.5年。这些平台将获得来自整个研究领域的进一步支持。

这三个国家量子平台由新加坡国立大学（NUS）、新加坡南洋理工大学（NTU Singapore）、新加坡科技研究局（A*STAR）和新加坡国家超级计算中心（NSCC）主办，分别是：

• 国家量子计算中心——通过行业合作发展量子计算能力并探索应用；

• 国家量子无晶圆厂——支持量子设备和使能技术的微加工技术；

• 国家量子安全网络——在全国范围内进行量子安全通信技术的试验，旨在加强关键基础设施的网络安全。

国家量子计算中心（NQCH）

NQCH将汇集新加坡国立大学和南洋理工大学的量子技术中心（CQT）团队、A*STAR的高性能计算研究所（IHPC）和新加坡国家超级计算中心（NSCC）的专业知识和资源，在新加坡建立一个量子计算生态系统。

国家量子无晶圆厂（NQFF）

国家无晶圆厂（NQFF）设在A*STAR的材料研究与工程研究所（IMRE），将支持QEP的三大支柱量子计算、通信和传感，中的量子器件的微型和纳米加工。它还将开发与新加坡在量子技术生态系统中的战略需求有关的使能装置。

国家量子安全网络(NQSN)

2022年2月宣布的NQSN将在全国范围内进行量子安全通信技术的试验，为关键基础设施和处理敏感数据的公司提供强大的网络安全。该倡议由CQT以及新加坡国立大学和南洋理工大学领导，有超过15个私人和政府合作者。

对此，新加坡国立大学CQT主任、NQCH首席研究员José Ignacio Latorre教授评论说：「量子计算正在到来。问题不在于『何时』，而在于『谁将准备好使用这项技术』。」

参考资料：

https://www.hpcwire.com/off-the-wire/pawsey-installs-first-room-temp-on-prem-quantum-computer-in-a-supercomputing-center/

https://www.tomshardware.com/news/world-first-room-temperature-quantum-computer

https://qepsg.org/news-singaporers-quantum-ecosystem-gets-a-boost-from-three-national-platforms

特别鸣谢：（可查阅白皮书更多内容）

https://mp.weixin.qq.com/s/-JD76N6Uh2ttS3JB_ORNuQ