1. 先搞清楚“電子劈成兩半”到底指什么物理機(jī)制很多人第一次聽到“把電子劈成兩半”這個(gè)說法第一反應(yīng)是“電子不是基本粒子嗎怎么還能劈開” 這里需要先澄清一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)所謂的“劈開”不是真的像切西瓜一樣把電子物理分割而是指在特定材料中電子的電荷和自旋屬性可以分離成獨(dú)立的準(zhǔn)粒子激發(fā)。這種現(xiàn)象在凝聚態(tài)物理中被稱為“分?jǐn)?shù)化”最典型的例子就是分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)中的任意子。為什么這件事和量子計(jì)算強(qiáng)相關(guān)因?yàn)槌Ｒ?guī)量子比特比如超導(dǎo)量子比特或離子阱對(duì)環(huán)境噪聲極其敏感退相干時(shí)間短而基于任意子的拓?fù)淞孔颖忍乩碚撋暇哂袃?nèi)在的容錯(cuò)能力——它的量子信息存儲(chǔ)在全局拓?fù)湫再|(zhì)中局部擾動(dòng)很難破壞它。這就好比傳統(tǒng)量子比特像在平地上壘積木一陣風(fēng)就能吹倒拓?fù)淞孔颖忍叵袷前逊e木壘成莫比烏斯環(huán)結(jié)構(gòu)本身提供了穩(wěn)定性。目前實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)任意子的主流材料平臺(tái)包括分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)體系二維電子氣加強(qiáng)磁場(chǎng)拓?fù)浣^緣體/超導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)最近興起的魔角石墨烯丁洪院士團(tuán)隊(duì)聚焦的可能是第二類或第三類平臺(tái)因?yàn)檫@些體系不需要極強(qiáng)的磁場(chǎng)更接近實(shí)際應(yīng)用條件。2. 三五年內(nèi)見分曉到底要“見”什么關(guān)鍵指標(biāo)院士說“三五年內(nèi)見分曉”這個(gè)時(shí)間點(diǎn)不是隨便估的。它對(duì)應(yīng)著拓?fù)淞孔佑?jì)算從原理驗(yàn)證走向工程化驗(yàn)證的關(guān)鍵階段。具體來說我們需要在這段時(shí)間內(nèi)看到以下幾個(gè)里程碑的至少一個(gè)被可靠重復(fù)2.1 任意子的明確編織操作證據(jù)目前實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)能穩(wěn)定觀測(cè)到馬約拉納零能模一種任意子的存在性信號(hào)比如隧道譜中的零偏壓峰。但下一步必須演示“編織”braiding操作——即讓兩個(gè)任意子在時(shí)序上交換位置并檢測(cè)到非阿貝爾統(tǒng)計(jì)相位的特征。這個(gè)操作相當(dāng)于拓?fù)淞孔影娴牧孔娱T。判斷編織實(shí)驗(yàn)是否成功的核心指標(biāo)包括編織前后的干涉圖案變化是否符合理論預(yù)測(cè)操作保真度是否超過表面碼糾錯(cuò)的閾值一般要求 99.9%能否在微秒級(jí)時(shí)間內(nèi)完成單次編織退相干時(shí)間必須遠(yuǎn)長(zhǎng)于此2.2 多任意子平臺(tái)的擴(kuò)展性驗(yàn)證單個(gè)任意子對(duì)沒什么用必須能規(guī)模化集成。三五年內(nèi)我們需要看到至少4-6個(gè)任意子的可控陣列被實(shí)現(xiàn)并且能夠執(zhí)行簡(jiǎn)單的量子線路模擬。這里的關(guān)鍵驗(yàn)證點(diǎn)是任意子之間的耦合能否按需調(diào)節(jié)陣列的制備良率是否超過90%是否具備單發(fā)測(cè)量任意子狀態(tài)的能力2.3 退相干時(shí)間的量級(jí)突破拓?fù)淞孔颖忍氐睦碚搩?yōu)勢(shì)必須轉(zhuǎn)化為實(shí)際數(shù)據(jù)。如果它的退相干時(shí)間只能做到和超導(dǎo)量子比特差不多幾十到幾百微秒那它的優(yōu)勢(shì)就不明顯。理想情況下拓?fù)淞孔颖忍貞?yīng)該在毫秒量級(jí)才能凸顯價(jià)值。目前實(shí)驗(yàn)報(bào)道的最高值還在微秒量級(jí)所以未來幾年的材料優(yōu)化至關(guān)重要。3. 當(dāng)前主要技術(shù)路線的落地難點(diǎn)在哪里雖然任意子聽起來很美好但真要造出可用的拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)還有幾個(gè)硬骨頭要啃3.1 材料純度與界面控制以拓?fù)浣^緣體/超導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)為例任意子的質(zhì)量極度依賴界面的原子級(jí)平整度。實(shí)驗(yàn)室制備的小樣品可能很完美但要放大到晶圓級(jí)目前還做不到均勻控制。常見的失敗模式包括超導(dǎo)近鄰效應(yīng)不均勻?qū)е氯我庾幽芟堕]合界面氧化或互擴(kuò)散引入無序散射襯底應(yīng)力導(dǎo)致薄膜開裂或疇界形成3.2 測(cè)量信號(hào)的假陽(yáng)性排除任意子的探測(cè)主要靠電輸運(yùn)測(cè)量但很多平庸效應(yīng)比如安德烈夫反射、量子點(diǎn)共振、無序?qū)е碌木钟驊B(tài)也會(huì)產(chǎn)生類似的零偏壓峰。區(qū)分真假信號(hào)需要多證據(jù)交叉驗(yàn)證必須同時(shí)觀測(cè)到量化電導(dǎo)2e2/h需要施加磁場(chǎng)或電場(chǎng)調(diào)制看能隙關(guān)閉行為最好用掃描隧道顯微鏡實(shí)空間成像輔助確認(rèn)3.3 操控速度與退相干時(shí)間的權(quán)衡拓?fù)淞孔颖忍氐牟倏匾话阃ㄟ^電場(chǎng)或磁場(chǎng)調(diào)制實(shí)現(xiàn)但這些外場(chǎng)本身也可能引入噪聲。比如快速電場(chǎng)調(diào)控可能激發(fā)表面聲子增加能量耗散磁場(chǎng)調(diào)控如果涉及超導(dǎo)電路可能產(chǎn)生渦旋干擾微波驅(qū)動(dòng)如果頻率選擇不當(dāng)可能直接激發(fā)到連續(xù)譜4. 如果成功它會(huì)怎么改變量子計(jì)算的研發(fā)范式假如三五年內(nèi)真的實(shí)現(xiàn)了拓?fù)淞孔颖忍氐耐黄普麄€(gè)領(lǐng)域可能會(huì)發(fā)生幾個(gè)明顯的變化4.1 硬件設(shè)計(jì)重心從糾錯(cuò)編碼轉(zhuǎn)向材料工程目前超導(dǎo)和離子阱路線花大量精力設(shè)計(jì)復(fù)雜的糾錯(cuò)碼比如表面碼、顏色碼因?yàn)槲锢肀忍氐腻e(cuò)誤率太高10?2~10?3。拓?fù)淞孔颖忍厝绻菊麇e(cuò)誤率能降到10??以下糾錯(cuò)開銷會(huì)大幅降低研發(fā)重點(diǎn)會(huì)轉(zhuǎn)向高質(zhì)量拓?fù)洳牧系耐庋由L(zhǎng)工藝異質(zhì)結(jié)的批量制備技術(shù)原子級(jí)表征與無損檢測(cè)方法4.2 量子軟件棧需要重新適配拓?fù)淞孔颖忍氐奶烊徊僮魇蔷幙椂峭ㄓ脝伪忍亻T所以現(xiàn)有基于門模型的量子編程框架如Qiskit、Cirq得大改?？赡苄枰胪?fù)淞孔訁R編語(yǔ)言描述編織路徑和測(cè)量順序基于辮子群braid group的編譯器優(yōu)化新的量子經(jīng)典混合算法利用拓?fù)浔Ｗo(hù)特性4.3 應(yīng)用場(chǎng)景可能優(yōu)先集中在特定問題拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)可能不是“萬(wàn)能”的它可能特別擅長(zhǎng)某些問題拓?fù)湫虻哪M本身是強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子系統(tǒng)某些NP-hard問題的近似求解利用拓?fù)浼m纏熵量子化學(xué)計(jì)算中的基態(tài)能量求解容錯(cuò)性強(qiáng)而對(duì)于需要頻繁經(jīng)典反饋的優(yōu)化問題它可能反而不如噪聲中等規(guī)模量子NISQ設(shè)備靈活。5. 作為從業(yè)者現(xiàn)階段應(yīng)該關(guān)注哪些信號(hào)如果你在量子計(jì)算領(lǐng)域工作或者考慮進(jìn)入這個(gè)方向未來幾年可以重點(diǎn)跟蹤這些進(jìn)展5.1 關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)組的重復(fù)性報(bào)告關(guān)注幾個(gè)頂尖實(shí)驗(yàn)組如微軟Station Q、代爾夫特理工大學(xué)、哥本哈根大學(xué)等的后續(xù)論文。如果不同組用不同材料體系都報(bào)告了類似的編織操作證據(jù)那可靠性就大大增加。要特別警惕只有單一組能重復(fù)的結(jié)果。5.2 工業(yè)界的投入力度微軟在拓?fù)淞孔佑?jì)算上押注很大但如果未來兩三年內(nèi)谷歌、IBM、亞馬遜也開始布局拓?fù)渎肪€那就是一個(gè)強(qiáng)信號(hào)。同時(shí)可以關(guān)注頂級(jí)芯片設(shè)備商如ASML、東京電子是否開始推出針對(duì)拓?fù)洳牧现苽涞膶Ｓ霉ぞ摺?.3 專利與標(biāo)準(zhǔn)組織的動(dòng)向查看USPTO和EPO的量子計(jì)算專利分類如果拓?fù)淞孔颖忍氐膶＠急瓤焖偕仙貏e是系統(tǒng)級(jí)架構(gòu)專利開始出現(xiàn)說明工程化已經(jīng)在路上。另外IEEE、ITU等組織如果開始成立拓?fù)淞孔佑?jì)算工作組也是重要風(fēng)向標(biāo)。5.4 投資機(jī)構(gòu)的資金流向頂級(jí)風(fēng)投如Andreessen Horowitz、Sequoia在量子領(lǐng)域的投資分布變化很有參考價(jià)值。如果他們從超導(dǎo)/離子阱公司轉(zhuǎn)向投資拓?fù)淞孔映鮿?chuàng)企業(yè)通常意味著技術(shù)成熟度到了新階段。最后提醒一點(diǎn)即使三五年內(nèi)拓?fù)淞孔颖忍仳?yàn)證成功到真正造出實(shí)用量子計(jì)算機(jī)至少還需要十年。但這個(gè)方向值得持續(xù)關(guān)注因?yàn)樗赡艽砹孔佑?jì)算的終極解決方案之一?，F(xiàn)階段建議保持跟蹤但不必all-in——畢竟科學(xué)突破的時(shí)間表經(jīng)常比預(yù)期要長(zhǎng)。