逐量子位構建未來

量子技術仍在開發中，但這些系統正在迅速演變，現有原型已經對科學和工業產生了重大影響。量子系統加速器（Quantum Systems Accelerator，QSA）是量子研究與開發的主要中心之一，由洛倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）主導。QSA是由美國能源部（DOE）資助的五個國家量子信息（NQI）科學研究中心之一，旨在開發能夠解決物理學、化學、材料科學和生物學中長期存在的挑戰的技術，而這些挑戰是傳統計算機無法應對的。

QSA匯集了北美的15個成員機構，以桑迪亞國家實驗室作為主要合作夥伴。通過在量子技術的各個方面進行合作，該中心幫助將該領域從理論推進到現實工具。

我們與QSA主任伯特·德·容（Bert de Jong）交談，了解QSA在過去四年的進展、未來令人興奮的計劃，以及隨著量子系統的增長和成熟，將有什麼樣的突破等待著我們。

問：QSA如何使我們更接近可擴展、效率更高且錯誤率更低的量子計算機？

德·容（de Jong）：我們正在進行推進量子計算技術的研究，而我們的方式非常獨特。我們專注於三種最先進的量子位技術：捕獲離子、中性原子和超導量子位。我們是唯一一家追求基於原子的技術的能源部國家量子計畫（NQI）中心。作為一個中心，我們專注於量子技術的協同設計，包括控制系統、算法和最終用戶應用。我們不僅僅是推進技術以獲得更多的量子位和更大的量子計算機。我们还在努力改善量子位本身——量子計算機的基本計算組件。我們通過設計更好的材料、更準確的控制和更精確的測量來實現這一目標。系統運行中有許多“噪音”因素影響其功能，讓量子計算機目前的錯誤率非常高。找到解決這些問題的方法是困難的，因為自然界本身就是嘈雜的！

我們還開發這些量子計算機上實際運行的算法，並研究隨著量子位數量的增加，這些算法如何運行。同樣，所有這一切都是以協同設計的方式進行的。研究各種量子系統組件的研究人員在QSA中共同合作。我們希望推進的量子計算機能更好地解決關鍵於能源部任務的科學問題。

問：QSA如何已經促進了新的科學發現或新的研究方法？

德·容（de Jong）：我們已經取得了技術上的重大進展，下面我給你幾個例子，展示我們現在如何利用這些技術來進行實際科學研究。對於中性原子，我們已經達到了250個原子的量子模擬器，這相當於250個量子位——這真的很大。哈佛大學領導的團隊不僅能以正確的方式控制250個原子，還能用它們進行非常準確的科學模擬。一旦達到250個量子位，你就能夠研究許多有趣的問題。

我們還對科學家所稱的“多體系統”進行了建模，這些系統包括具有非常複雜的量子行為的材料。了解這些材料對於開發下一代電池、催化劑和太陽能電池至關重要。通過模擬這些系統，我們可以開始觀察超導材料的行為，並測量多相物質，這在真實實驗環境中不易實現，或在傳統計算機上進行計算也非常困難。

中性原子也可以用作量子傳感器。我們在JILA的團隊最近使用中性原子在非常小的體積原子樣本中進行了非常準確的重力紅移測量。這是獨特的，這是一種對於基礎物理問題的新感測方法。除此之外，人們也開始使用這些原子進行粒子物理和高能物理模型的量子模擬，而這在傳統計算機上變得越來越困難。

對於基於捕獲離子的量子計算機，我們的合作夥伴桑迪亞（Sandia）開發了第一個系統，可以潛在地容納200個離子，並已經運送到杜克大學（Duke University）進行系統整合。下一步是探索如何在該規模上控制這些離子，然後我們可以開始使用該系統進行模擬和科學研究。

使用中性原子裝置，哈佛大學一直在模擬開放量子系統。這很重要，因為自然是一個開放的量子系統。我們創造的封閉系統以外，所有事物都是嘈雜的。理解和建模這些真實、嘈雜的物理系統——如與光或電磁場互動的分子或材料——對於更好地控制與許多科學應用相關的化學過程和材料至關重要。

QSA中的團隊也在超導量子位方面進行了類似的工作。伯克利實驗室的團隊正在設計和製造新的量子位類型，稱為網格量子位（grid qubits），這種量子位不易受到噪音影響。麻省理工學院及麻省理工學院林肯實驗室的團隊專注於擴大超導系統的規模，並最近使用先進的超導裝置探索複雜量子系統中的糾纏如何運作。

問：在其他領域的重疊情況如何？請談談您在化學領域應用量子計算機的情況。

德·容（de Jong）：化學長期以來被認為是能夠利用量子計算機的早期領域之一。但在量子計算機上運行化學計算並不容易。這就是為什麼我們有理論學家和實驗學家一起合作設計化學模擬，以充分利用量子計算機。讓我舉一個最近的化學實驗的例子。杜克大學的QSA團隊使用他們的捕獲離子量子計算機實際模擬了一個分子的核磁共振（NMR）實驗，這實際上是有趣的，因為NMR實驗本質上也是一個量子實驗。如果你想知道NMR是什麼，它與醫院中的MRI機器非常相似。因此，使用量子計算機模擬量子系統是一種合邏輯的方式。這正是理查德·費曼（Richard Feynman）對量子計算機的真正設想——對量子系統進行建模。

問：像QSA這樣的中心如何與行業及更廣泛的研究社群合作，共享進展、協作並整體推動該領域的發展？

德·容（de Jong）：我們在行業中有很多其他的聯繫，因為無論是在這裡、桑迪亞、麻省理工學院林肯實驗室還是我們的其他合作夥伴中，所取得的多項技術和工程進展都受到各種公司的關注。

一個顯著的促進該領域的例子是伯克利實驗室推動的QubiC，這是一個基於FPGA的開源量子位控制系統。該系統在學術機構等地方得到了廣泛採用。

而且這在某種程度上是雙向的。QSA實際上支持QSA研究和發明的技術轉移到行業，並支持公司的創建。我提到過我們在中性原子方面的進展；大部分工作是在哈佛完成的。QuEra是一家基於哈佛的先驅研究而成立的公司。因此，許多QSA的技術現在已經體現在QuEra的商業產品中，並且持續保持研究合作夥伴關係。MIT，另一個QSA成員，則一直在研究超導量子位，他們最近成立了一家名為Atlantic Quantum的分公司。我們還與行業合作，例如IonQ，這是一家為基礎研究商業化捕獲離子量子計算機的公司，這些計算機被其他商業實體如微軟、NVIDIA和通用電氣等使用。他們與桑迪亞的捕獲離子系統有著悠久的歷史。

問：數據加密被廣泛討論作為量子系統的商業應用，但人們還希望實現哪些其他應用？

德·容（de Jong）：在接下來的幾年中，我們應該能夠開始進行材料模擬，這將真正幫助行業開發更好的能源技術，如我之前提到的，並可能為傳統計算提供更好的材料。我還認為許多公司肯定正在追求生命科學領域的應用，這裡有很多潛在的應用，比如藥物發現。但這可能還需要更長的時間才能實現。

量子計算機在優化方面也非常出色。想想電網、飛機交通管理、道路交通、金融交易，或者任何作為複雜系統網絡運作的事物——這些都是非常複雜的優化問題，而傳統計算機在這方面會遇到困難。

因此，許多領域可能受益於量子計算、感測和量子網絡，後者是打造像我們擁有的傳統計算機網絡那樣強大量子計算機網絡的非常新興的領域。這三種技術有潛力在我們的社會和經濟運作上帶來顯著變化。我們已經達到這個地步了嗎？還沒有。但這就是為什麼我會說幾乎每家《財富》500強公司都有至少幾個人關注量子技術如何幫助他們。

問：量子計算機的一個重要吸引力是能夠解決當前計算技術無法處理的問題。您對哪些新型研究感到興奮？

德·容（de Jong）：喔，還有很多。我受過計算化學的訓練，從事量子研究，但我也喜歡與實驗學家一起解決現實世界的化學問題。我正在研究的一個問題是，我們如何開發更好的材料來捕集空氣中的碳。為此目的進行材料模擬的計算成本非常高。我們幾乎需要在伯克利實驗室的國家能源研究計算中心或橡樹嶺國家實驗室使用指數級計算機，連續幾個月的時間來獲得資源。即使是用指數級計算機，我們也大幅簡化反應模型，以便能在這樣的傳統計算機上運行。

我們的希望是我們不需要縮減模型。我們實際上可以開始在量子計算機上運行我們感興趣的反應的完整模型。這還能帶來節省大量能量的附加好處，因為傳統的超級計算機需要大量的能量來運行。

還有很多其他領域面臨類似的挑戰，包括高能物理領域，希望利用量子工具增強我們對宇宙基本法則的理解。

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洛倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）致力於通過清潔能源、健康地球和發現科學的研究來為人類提供解決方案。該實驗室成立於1931年，基於團隊能最佳解決重大問題的信念，伯克利實驗室及其科學家已獲得16項諾貝爾獎。來自全球的研究人員依賴該實驗室的世界一流科學設施進行他們的開創性研究。伯克利實驗室是一個多計畫國家實驗室，由加利福尼亞大學管理，隸屬於美國能源部的科學辦公室。

美國能源部的科學辦公室是美國物理科學基礎研究的最大單一支持者，並致力於應對我們時代的一些最緊迫的挑戰。部分資料參考自美國能源部與美國NSO團隊。