中國量子計算機會終於來了？突破性發現可縮小關鍵組件1000倍！

中國量子計算機領先的機會可能真的就要來了。新加坡南洋理工大學高偉波教授團隊的突破性發現，可能讓光量子計算機躋身主流，而中國正好在這領域處於第一梯隊，光量子計算機會率先突破，像傳統電子計算機一樣，成爲未來量子計算的主流設備嗎？這項研究已發表在10月14日的《自然-光子學》雜誌上。

量子計算機被視爲未來科技的核心之一，它關係着人類文明的下一個時代，全球範圍內的開發競爭異常激烈。目前被認爲最有希望突破的是超導量子計算機，其次是離子阱量子計算機，但中國在這兩個領域都還沒有進入第一梯隊。

全球公認的超導量子比特技術，領軍者是IBM和谷歌。這兩家公司在超導量子計算的技術成熟度方面遙遙領先，尤其在量子操控精度上達到了極高的水平。

在離子阱技術方面，其特點是擁有極高的相干時間，可以長時間保持量子態。然而，離子阱量子計算機的設備和操作非常複雜，目前的領跑者是Quantinuum和IonQ。

微軟則專注於拓撲量子比特，但這一技術還處於概念驗證和實驗階段，距離實用化仍有很長的路要走。

中國在光量子計算機領域處於第一梯隊，但它更多地被視爲一種補充性技術。光量子計算機在量子保密通信和量子網絡方面有獨特的優勢，但在通用量子計算領域被認爲難以成大器，你可以理解爲它被認爲無法發展成像電子計算機那樣的通用量子計算設備。

這主要是因爲相比超導量子比特和離子阱量子比特，光子之間的相互作用較弱，難以進行有效的量子門操作，而量子門是實現複雜量子計算的基礎。然後是光子生成率和操控難度大，光量子計算機在量子糾錯上遠不如超導量子比特和離子阱量子比特來得成熟。

但超導量子比特和離子阱量子比特都依賴於極低的溫度才能工作，這意味着需要極爲龐大的冷卻裝置，比如目前最先進的IBM量子系統2，冷卻系統就佔了95%的體積，這意味着即使開發成功，也將嚴重限制它們的便攜性和大規模應用——除非室溫超導成爲現實。

南洋理工大學最近開發出了一種全新的方法，他們使用了兩片超薄的二氯化氧化鈮並將其晶粒垂直堆疊，這樣產生的光子對由於傳播距離極短，就可以產生糾纏並保持同步。

由於這種材料厚度僅爲1.2微米，只有頭髮絲的80分之一，並且不需要額外的光學設備來保持光子對的糾纏狀態，這將可能把量子計算機的關鍵部件體積縮小1000倍。

這意味着什麼？簡單來說，現在的光量子計算機依賴於龐大的光學裝置，難以變得更加小巧、簡便，而這項技術有可能實現巨大的突破，再加上可以在室溫下工作，這會讓光量子計算機變得和超導量子計算機、離子阱量子計算機一樣有競爭力嗎？

超導或離子阱量子計算機在計算精度和穩定性上，已經有了相當的進展，但如果光量子計算機在硬件設計和應用領域中脫穎而出，尤其能解決糾纏光子對生成效率，實現穩定量子操作和誤差糾正機制等問題的話，憑藉它在長距離信息傳輸和常溫下穩定的天然優勢，可能在量子互聯網或分佈式量子計算領域，具有極大的潛力，未來有可能會成爲量子計算領域的關鍵技術。

參考文獻：

Kallioniemi, L., Lyu, X., He, R. et al. Van der Waals engineering for quantum-entangled photon generation. Nat. Photon. (2024). https://doi.org/10.1038/s41566-024-01545-5