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“量子复兴”？从领先到“停滞”，日本寻求新生

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发布时间：2024-03-01
 
量子计算机，凭借其解决当前难题的潜力，无疑将引领计算技术和社会的重大变革。日本，怀揣对这一领域的雄心壮志，正致力于开展量子计算机五大技术领域的全面项目。这些项目是日本“登月计划”的关键组成部分，体现了其对科技前沿的追求。
 
目前，日本设定了一个宏伟目标：到2050年，开发出一种先进的容错量子计算机。这种计算机的实现，不仅是技术上的飞跃，更预示着对未来计算能力的巨大提升，将为解决复杂问题提供前所未有的新途径。
 
 
量子计算机预示着一场计算能力的革命。它们通过利用量子态的独特特性处理数据，有潜力执行远超传统计算机能力范围的复杂计算。这种技术在众多领域，包括医学和材料设计中，都显示出巨大应用潜力。
 
然而，在量子计算机真正实现其潜力之前，还需克服一系列重大挑战。鉴于其基于脆弱的量子态，量子计算机需要有效的错误纠正机制。为此，日本政府启动了一项长期计划，名为“登月计划6”，目标是到2050年开发出容错的通用量子计算机。
 
 
战略链接：
https://www8.cao.go.jp/cstp/english/moonshot/sub6_en.html
 
创造量子比特的方法有多种，包括硅基器件、超导电路、捕获原子和光脉冲等。这一计划汇聚了多个物理学家研究小组，每个小组负责开发其中一种技术。
 
“登月计划”的一个关键优势在于，它不仅涵盖了多种技术路径，还集结了具有广泛专业知识的研究人员。尽管量子比特利用量子力学的原理，但构建完整系统也离不开经典电子系统和先进的理论框架。
 
其中一个最大的挑战是系统处理。量子比特在与环境相互作用中最终会失去其量子特性，导致数据丢失。这一固有特性不仅仅能通过改善量子比特设计来解决，因此开发整体计算机架构与创造量子比特同样重要。
 
使量子计算机具有容错性的一种可能方法是在运行算法所需的量子比特之外添加额外的量子比特。但随着量子计算的复杂性增加，所需的量子比特数量也随之增加，这反过来又需要更多的辅助比特。因此，只有超过一定规模，计算机才能获得容错架构的好处。
 
东京大学的Masato Koashi，作为理论和软件方面的项目经理，表示：“我们已经证明，使用1万个量子比特的新技术（称之为早期容错量子计算机）在质量上可以优于当前含噪声的中等规模量子计算机。”
 
量子计算机的概念图
 
“登月计划”的理论研究为实现中间阶段带来了希望。
 
实验人员正在努力增加他们可以构建和组合的量子比特数量，而Koashi及其同事们则在努力减少所需的量子比特数量。他们正在开发新的量子计算算法，通过创建模型，将计算机架构的每个元素（如量子比特、控制系统、纠错等）视为最终设计的不同层次。
 
这种跨层协同设计模型是一种数学模拟器，有助于协调“登月计划”项目的不同研究小组。
 
京都理工学院的Kazutoshi Kobayashi，负责监督实用量子纠错系统开发的项目经理，强调了跨学科合作的重要性。他是一名电气工程师，具有超大规模集成电路（VLSI）的背景。其中，现场编程门阵列（FPGA）是适用于小批量市场的可编程VLSI电路。
 
Kobayashi说：“FPGA本质上可以对硬件进行编程，这意味着可以改变预制系统以适应量子系统的具体情况。这项技术将用于控制量子比特，并纠正使用超导量子比特构建的量子计算机原型中的错误。”
 
来自QuEL公司的Takefumi Miyoshi补充说：“要控制一个超导量子比特，我们需要一个高精度的微波控制器。这需要一个实时系统；软件程序是不够的，所以我们必须使用FPGA技术在硬件中实现它。”他们希望在未来几年展示足够好的纠错能力，以便在更大的量子比特系统中实现容错。
 
最后，为什么要将容错量子计算机的开发与解决气候变化和改善医疗保健等全球性挑战放在同等重要的地位？因为量子计算机将有助于找到这些问题的解决方案。
 
Miyoshi指出：“量子计算机最重要的任务可能是模拟分子的特性。如果我们能模拟固氮或人工光合作用等化学反应，或推动药物发现，量子计算机将产生巨大的影响。”
 
大阪大学的量子计算机，基于理化学研究所开发的超导量子比特，使用QuEL等公司制造的控制器
 
 
在实现量子计算革命的道路上，日本正在发挥重要作用，特别是在开发通用量子计算机所需的关键部件方面。庆应义塾大学、大阪大学和横滨国立大学领导的三个重要研究项目正是这一“登月”目标的核心。
 
这些项目的工作重点在于构建量子计算机存储和处理数据的基本组件、发明将这些组件连接成更大系统的新方法，以及开发将众多量子计算机连接成网络的更广泛架构。
 
这些量子计算机网络有望极大地加速科学发现，甚至可能催生全新的产业。横滨国立大学量子信息研究中心主任Hideo Kosaka指出，与传统计算相比，量子计算提供了巨大的计算能力。这是因为，在量子计算机中，基本信息单位是量子比特，它们可以同时存在于两种状态的叠加中，并通过纠缠过程与其他量子粒子连接。这些特性使量子比特能够执行复杂的计算任务，这是经典比特无法实现的。
 
横滨国立大学的研究人员正在努力开发一种用于量子计算机的微波-光学量子传感器
 
日本研究人员在1999年首次展示了利用超导体制造的有前途的量子比特。这些量子比特通常使用一对超导电子进行数据编码，并能通过状态转换来发射微波光子。
 
这些光子携带有关量子比特状态的信息，为量子比特之间的数据传输提供了一种方法。Kosaka的团队正在致力于开发一种量子转换器，它能够在不丢失任何量子信息的情况下将微波光子转换为光子，这对于实现远程超导量子比特连接至关重要。
 
同时，研究人员还在探索其他类型的量子比特，包括依赖于原子、光子或被称为量子点的半导体纳米结构。每种量子比特最终都可能在量子计算系统中发挥不同的作用，它们之间的良好连接至关重要。
 
大阪大学量子信息与量子生物学中心副主任Takashi Yamamoto表示，他们正在研究如何利用量子网络技术连接和扩展基于这些不同量子比特（包括超导系统）的量子计算机。
 
“例如，通过使用纠缠光子来携带信息，原子基量子比特就可以连接起来。”为了实现这一点，Yamamoto的团队开发了一种基于原子阵列的量子处理器，该处理器带有光子量子接口和超导纳米线单光子探测器系统，能够以极高的效率和极低的噪声测量光子。这种探测器系统还可用于将超导量子比特与Yamamoto项目开发的量子接口连接起来。
 
在大阪大学Takashi Yamamoto领导的一个项目中，滨松光子公司的一个团队正在开发一种利用超导纳米线测量单光子的大型探测器系统
 
Yamamoto希望在未来几年内，这些设备中的一部分将用于构建小型量子计算机网络。他说：“下一个重大挑战是利用我们的网络技术连接量子计算机，这将是至关重要的一步。”
 
量子计算机要想充分发挥潜力，最终必须在更大的范围内运行。例如，通用量子计算机可能需要一百万量子比特。这可以通过连接许多中型量子计算模块来实现，每个模块包含数千量子比特。为实现这一目标，研究人员不仅要开发量子硬件，还需要设计量子计算网络的架构，并开发使其顺利运行所需的协议。
 
东京庆应义塾大学量子互联网中心副主任Shota Nagayama强调了高效和智能的量子网络架构对于大规模量子计算的重要性。他的团队的目标是到2030年建立一个小型但稳健、可扩展的量子计算机网络，其中至少包含三个量子计算机节点，并将其作为试验平台进行演示。
 
Nagayama还寄希望于这种网络最终能够扩展到全球范围，创建一个“量子互联网”，将地球上的每一台量子计算机都整合到一个全球规模的量子计算机网络中。这将为数十亿用户提供利用量子计算变革能力的机会。
 
 
目前，我们正处于探索量子计算机构建的前沿，重点关注五大技术平台：超导电路、硅量子点、光学系统、中性原子以及离子阱技术。这些技术平台的相关项目均在日本政府的“登月计划”框架下进行，该计划的第六个目标致力于开发“一种容错的通用量子计算机”，预期到2050年，这种计算机将深刻转变我们的经济、工业和安全格局。
 
接下来，我们将分别探讨这些不同的技术路线。我们将探讨它们目前的发展阶段、技术背景以及对未来规划的展望，从而揭示量子计算在未来数十年内的潜力和方向。
 
1）超导量子计算
 
“这些计算机将彻底改变世界。”总部位于日本东京的NEC公司物理学家Tsuyoshi Yamamoto预测说。
 
基于超导体的量子计算机剖面图，日本电气公司（NEC）的研究人员正在探索这种量子计算机
 
过去十年来，建造实用量子计算机的全球竞赛一直在加速进行。2019年，日本启动1000亿日元（约合6.68亿美元）的“登月研发计划”，其主要目标之一就是在2050年之前制造出这样一台计算机。
 
现在，NEC公司正在汇集日本多所大学和实验室的多个研究团队，这些团队拥有实现这一愿景所需的专业知识。他们正在采用多管齐下的方法，共同应对目前阻碍这一领域发展的一些最大挑战。
 
最大的障碍之一是可扩展性——创建足够大的量子计算机来解决现实生活中的问题。在开发量子计算机的竞赛中，有五种左右的平台正在进行研究，超导是目前领先的平台之一：2023年，IBM的团队成功连接了1000多个超导量子比特。
 
这种机器可以在高度特定但又深奥的任务中胜过标准计算机。Yamamoto指出：“但这些应用尚未找到实际用途。”
 
问题在于，目前还没有可靠的方法来纠正计算过程中出现的错误。因此，要想制造出能够解决有用问题的量子计算机，物理学家要么需要更多的量子比特来克服偶尔出现的错误，要么需要找到减少错误的好方法。
 
“如果实施纠错方案，理论上量子计算机就可以比经典计算机更快地执行一些有用的计算。然而，要运行一个带有纠错方案的算法，我们需要极大数量的量子比特——根据一项估计，需要1亿个量子比特。”
 
“登月计划”项目正从两方面着手应对挑战：一是增加可管理的量子比特数量，二是减少所需的量子比特数量。
 
他们的硬件采用了由超导体构建的电路、超导体材料在冷却到超低温时可以让电流毫无阻力地流过。每个量子比特都由一个微小的超导电路组成。信息通过这些微型电路的能量进行编码：两个可能的最低能量状态对应于0和1的值。
 
Yamamoto指出，在一个晶片上制造成千上万个量子比特可能并不困难。难点在于如何与制冷机中的每个量子比特进行通信。每个量子比特都必须与电线相连，这样物理学家才能发送电信号来控制量子比特和编码信息，还能在计算过程中和计算后读出量子比特的状态。
 
要把所有这些导线挤在一个狭小的空间里是很困难的，而且很可能会降低量子比特的性能。由于超导量子比特由沿金属同轴电缆传输的微波控制，而微波携带的热量会加热制冷机和量子比特，因此问题更加严重。
 
为了解决这些布线问题，日本名古屋大学物理学家Masamitsu Tanaka和他的同事们正在开发创新的“低温电子器件”——用于控制和读出量子比特的电子器件，可在量子比特附近的低温下工作。
 
迄今为止，他们已经证明，他们的低温电子器件可以在低至绝对零度以上四度的温度下以超快时钟频率运行。该团队目前正在努力降低能耗，以最大限度地减少量子比特旁产生的热量。
 
与此同时，日本神奈川NTT基础研究实验室的物理学家Shiro Saito正在研究如何纠正处理过程中的错误。
 
二十多年前，物理学家提出了一种“玻色编码”方案，以实现新的纠错方式。这种冗余编码可以在保持量子比特信息的同时检测到错误。因此，通过在单个物理系统中利用多个能级，可以实现高效的硬件纠错。
 
“玻色编码很难实现，因为需要控制的能级较多，因此仍处于早期研究阶段。”Saito解释道：“但它们是值得的，因为它们可以大幅减少构建工作量子计算机所需的量子比特数量。”
 
有了实现2050年“登月”目标的路线图，NEC合作计划在未来五年内证明其战略的每个组成部分都是可行的。然后，他们将在未来十年内把它们整合在一起。
 
2）光量子计算
 
东京大学的Akira Furusawa正在开发基于光的量子计算机
 
东京大学的教授Akira Furusawa已经在量子计算领域工作了数十年，但他对量子计算机时代的具体面貌依旧没有明确的认识。
 
他说：“它将改变社会，但如何改变却很难预测。这与互联网的情况类似，互联网从根本上改变了生活的许多方面，但改变的方式往往是我们事先无法想象的。”
 
Furusawa教授强调了光在量子计算中的重要作用，他指出光的处理速度远超其他技术，这得益于光的振荡频率远高于电子电路中使用的频率。利用光的处理速度，理论上可以达到传统方式的约10,000倍。
 
他还提到，光基计算机的另一个优势在于无需将用于传输数据的光信号转换成其他形式的信号来进行数据处理，这意味着数据的传输和处理都可以在同一介质中完成。因此，Furusawa教授坚信，光量子计算的长远优势巨大，光量子计算机最终将成为主流。他的终极目标是开发出超快、超大规模的量子计算机，并认为光量子计算机是实现这一目标的最有希望的途径。
 
东京大学讲师、Furusawa团队成员Mamoru Endo解释说：“目前，制造快速超级计算机的方法是使用许多处理器进行并行计算。但这需要消耗大量能源，是个大问题。”
 
然而，光量子计算机在这方面将有所不同，Endo认为，基于光的量子计算机在基本单元操作的能量成本极低，这意味着可以使用更多处理器。
 
为了实现光量子计算机，Endo和他的团队采用了一种独创的方法，涉及到量子隐形传态的使用。他们构建了一个所谓的“量子查找表”（quantum lookup table），其中包含了所有可能的输入和输出之间的关系叠加。通过从这个表中进行单次测量，他们实现了两个纠缠的量子比特之间的隐形传态。这种方法的关键在于它使用了一种独创的多路复用方法，并且是在时间上而不是空间上进行信号的切分和合并，为创建大型量子计算机提供了一种可扩展的方法。
 
Endo指出，由于他们的方法不需要使用芯片进行多路复用，因此它使创建大型量子计算机成为可能。
 
“量子查找表”（quantum lookup table）模型
 
论文链接：
https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.16.034005
 
Furusawa的项目是日本政府量子计算“登月计划”的一部分。虽然实现完全商业化的光学量子计算机还有一段距离，但现在的技术已经达到了开始商业化的程度。Furusawa教授表示，他们目前正在为神经网络开发实际的量子计算机，并计划成立一家新公司，在2024年通过云平台提供这一产品。
 
最后，Furusawa教授预测，量子计算的长期发展方向将是光学技术。
 
3）半导体量子计算
 
日本正在积极探索两种截然不同的方法来实现基于硅的量子计算机。这一努力突显了该国在量子计算领域的前沿地位。
 
日立研究所（Hitachi, Ltd.）位于东京的杰出研究员Hiroyuki Mizuno正在管理一个大规模硅量子计算机项目。Mizuno表达了他对目前量子计算机研究的激情，认为量子计算机将极大地扩展我们能够解决的问题范围。特别是在生物分子能量计算方面，他看到量子计算机成为这一领域的新工具，帮助科学家掌握化学反应的整个能量图谱。
 
他的团队是日本"登月计划"下的十几个项目之一的一部分。日立公司作为传统计算机的制造商，正在尝试将其在硅技术方面的专长应用于基于半导体平台的量子计算机的开发。
 
Mizuno强调了硅基量子技术的多重优势：体积更小、量子比特更稳定、与先进制造技术的兼容性更好、工作温度更高。
 
东京日立实验室的量子计算机
 
虽然硅基技术是开发量子计算机的热门平台，但Mizuno的团队采用了与绝大多数研究人员不同的方法。他们采用了一种自上而下的方法，首先增加量子比特的数量，然后提高其保真度，利用硅集成电路技术的集成特性。
 
与此同时，日本国家研究中心理化学研究所（RIKEN）的小组主任Seigo Tarucha也同样对量子计算充满热情。Tarucha的方法与Mizuno相反，他从小规模高保真度量子比特开始，逐步扩大规模。他的团队已经实现了拥有五个高保真度量子比特的系统，并计划在一年内增加到十个，到2026年初达到100个或更多。当达到十量子比特时，该团队计划将量子计算机作为云服务向公众提供。
 
Tarucha的实验室专注于实现高保真量子运算和量子纠错，这对于实现可扩展量子计算机至关重要。他们已经实现了足以进行纠错的单量子比特和双量子比特门，并进行了使用三个高保真量子比特的量子纠错实验，这是在硅量子比特上实现纠错的首次演示。
 
 
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04986-6
 
尽管目前基于超导体的量子计算机在量子比特数量方面处于领先地位，但Tarucha相信，在大约十年内，硅基量子计算机将超越超导体计算机。他指出，要实现100万个量子比特，超导体需要大量的空间和极低的温度，而硅量子比特只需小得多的空间和更高的温度，从而更为实用。
 
Tarucha说：“要实现100万个量子比特，超导体需要1平方米的面积和约0.1开尔文的温度，这几乎是不切实际的。相比之下，硅量子比特只需要1平方厘米，可以在1开尔文的温度下运行，这要可行得多。”
 
总之，在同一"登月计划"项目中采用这两种截然不同但又互补的方法，反映了在追求容错、通用量子计算机的过程中，多种努力的潜在价值。这些研究无疑将对未来的社会产生深远影响。
 
4）捕获离子量子计算
 
捕获离子技术的新进展展现了实现大规模量子计算机的希望。然而，一个主要挑战是如何有效地链接多个量子比特，传统方法依赖于在离子陷阱中增加更多离子。
 
冲绳科学技术研究所（OIST）Hiroki Takahashi团队开发的离子捕获装置
 
冲绳科学技术研究所（OIST）的实验量子信息物理学助理教授Hiroki Takahashi指出：“当你尝试将超过十个捕获离子相连时，问题就会出现。由于离子在陷阱中的运动模式复杂性，操纵它们的量子状态变得愈发困难。”
 
Takahashi教授的团队正在研究一种新方法，即利用光来链接不同的陷阱。这一过程的难点在于，光子会向各个方向发射，使得收集和指引它们非常困难。通常情况下，收集效率极低，不足10%，有时甚至仅为1-2%。为了解决这一问题，Takahashi正在研究如何将光子限制在一个由两面镜子构成的空腔内，理论上这可以将收集效率提升到大约90%。
 
同时，Takahashi的团队也在实施一项长期战略，旨在同时推进离子阱量子计算机的各个组件，并对整个系统进行宏观研究。
 
Takahashi表示：“我们正在研究那些可能改变离子阱量子计算机未来的关键技术，同时也在整合适当的技术元素，以构建未来离子阱量子计算机的蓝图。我们希望借此展示一种新型、可扩展的离子阱设备。”
 
Takahashi正通过日本的“登月计划”努力汇聚研究人员，以发展日本的离子阱技术社区。
 
他补充道：“尽管日本的离子阱社区在过去几年中规模扩大了两倍，但它仍然相对较小。因此，我们必须培育这一群体，使其成为量子计算技术的全球领导者。”
 
5）冷原子量子计算
 
结合冷原子和超快激光技术的新进展，有望为量子计算带来前所未有的速度和扩展性，从而可能彻底改变该领域。
 
日本冈崎分子科学研究所（IMS）的教授Kenji Ohmori预测，“在未来十年内，量子计算机将开始超越传统的超级计算机。”他相信，中期内，冷原子量子计算将超越超导量子计算的能力。
 
Ohmori指出，“要构建一台真正有用的量子计算机，可能需要超过10,000个量子比特。然而，超导芯片难以容纳超过1,000个量子比特。使用冷原子技术，我们很快就能轻松突破10,000量子比特的限制：我们已经构建了一个包含800个光学镊子的阵列，能够捕获多达约400个冷原子。”
 
Ohmori团队采用的冷原子方法涉及使用精细聚焦的激光束（光镊），在接近绝对零度的二维网格中捕获单个原子。Ohmori设想，冷原子量子计算机将在从密码学到复杂系统建模等多个领域实现突破性应用。
 
通过将超快激光器融入量子计算中，Ohmori团队解决了长期以来阻碍进展的两大难题：退相干和速度。
 
2016年，Ohmori及其团队展示了一种复杂的方法，在接近绝对零度的温度下操纵和观测里德伯原子的量子态。他们使用光学陷阱冷却并捕获了87个铷原子，然后将其激发为高能量的里德伯态。研究小组利用长约10皮秒（1皮秒等于万亿分之一秒）的激光脉冲产生了超冷的里德伯气体，并追踪了每飞秒（10^-15秒）的电子振荡。
 
 
论文链接：
https://www.nature.com/articles/ncomms13449
 
Ohmori解释说，“皮秒激光适用于冷原子计算机，因为它们能精确匹配里德伯电子的运动时间尺度。在我们的超快方法中，我们可以暂时忘记退相干的问题，这是其他量子计算机在较慢时间尺度上运行时面临的常见外部噪声问题。”
 
2018年，Ohmori的团队再次推动了该领域的进展，他们使用具有阿秒计时精度的皮秒激光脉冲来操纵原子的电子结构对称性。这项研究对于实现量子控制至关重要，同时也为超快量子模拟奠定了基础，这对研究器件中的化学反应和电荷迁移至关重要。
 
 
论文链接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.173201
 
一张长曝光照片，显示研究人员正在使用一种实现激光脉冲阿秒计时精度的设备
 
Ohmori的方法允许通过光镊精确定位和观察每个量子比特，从而创建具有可定制距离的多功能阵列。这种精细的控制对于实现更先进的量子算法和优化问题至关重要。
 
2022年的一项研究成果展示了这一进展，研究小组实现了两个里德堡原子之间的超快能量交换，并在纳秒级时间内完成了5次。实验成功观测到了量子振荡和条件相移——这是量子门的关键资源，它使得量子模拟和计算能够在偶极子间相互作用设定的量子速度极限下运行。
 
Ohmori说，“我们仅用6.5纳秒就完成了一个双量子比特门，这比任何其他基于冷原子的量子计算机快了两个数量级。这是一次颠覆性的创新。”
 
 
论文链接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.123201
 
Ohmori的工作开启了量子计算中超快门操作的新时代，但他的探索远未结束。
 
他补充说，“量子计算不再仅是实验室科学，它已发展成为一个大型科学领域。我们在‘登月计划’下组建了一个强大的团队，与京都大学、理化学研究所和日立制作所等主要合作伙伴协作。”Ohmori强调，“国际合作至关重要，我们需要共同努力解决这些问题，尽快开发出造福人类的量子计算机。”
 
6）原子与光子的混合系统
 
在传统计算机技术中，纳米级的结构被用于处理和存储信息。然而，日本东京早稻田大学的应用物理学教授Takao Aoki提出了一个全新的构想，即使用比纳米级结构更小的单元——单个原子和光子，来构建一种独特的计算机。
 
纳米纤维腔量子电动力学（QED）系统。早稻田大学Takao Aoki团队正与NanoQT、NTT和AIST合作，探索利用新型腔量子电动力学系统实现量子计算机
 
在日本的“登月计划”支持下，Aoki教授正致力于研究一种新型的量子计算机构架。他表示：“我们的目标是引入一个全新的量子计算物理平台，这一平台与当前的超导量子电路和离子阱等平台截然不同。”
 
他的团队正努力解决目前实现的量子比特数量与构建实用量子计算机所需数百万量子比特之间存在的巨大差距。
 
对于Aoki来说，解决这一挑战的方法在于将多个较小的单元连接起来。他解释说：“在单一单元中实现超过百万量子比特技术上极具挑战性，但一个充满前景的解决方案是采用模块化方法，通过适当数量的量子比特连接多个单元。通过这种方式，整个网络便能够发挥大型量子计算机的功能。”
 
这种方法虽然不局限于任何特定的量子计算平台，但对于那些不需在低温下运行的系统，如捕获离子和中性原子，尤其适用，因为它们更易于连接。
 
Aoki及其团队正在探索使用原子与光子混合的量子系统（即腔量子电动力学（QED）系统）作为连接单元的可能性。Aoki说：“空腔量子电动力学提供了理想的接口，用于在光学量子比特和原子量子比特之间实现分布式量子计算。”他补充道：“最近，我们已经在自由空间腔体中证明了利用腔QED实现量子计算机关键构件，如单光子源和各种量子门的可行性。”
 
然而，传统的自由空间腔体面临诸多技术挑战，因此Aoki的团队正在探索一种新型的腔QED系统，该系统利用纳米级光纤作为空腔。
 
Aoki解释说：“纳米光纤腔体是一种全光纤QED系统，一个腔体可以容纳多个原子，而且可以通过光纤高效地连接多个这样的腔体。利用这种硬件，我们有望实现大规模的分布式量子计算。”
 
从长远来看，这种方法有潜力超越单个量子计算机的局限，实现量子计算的网络化：“分布式量子计算系统可以连接不同地点的多台量子计算机，从而创建一个量子版的互联网。”
 
 
日本的“登月计划”展现了雄心勃勃的目标，即到2050年开发出一种容错的通用量子计算机，以期彻底改变经济、工业和安全领域。这一目标虽然明确，但目前仍然存在不确定性，尤其是关于哪种技术将最终胜出。
 
山顶清晰可见，但通往山上的道路却笼罩在薄雾之中。这恰如日本政府“登月研发计划”的第六个目标，即“到2050年实现容错的通用量子计算机，以此根本改变经济、工业和安全状况”。
 
参与该计划的研究人员虽然共同致力于这一目标，但他们对于实现量子计算机的最佳技术路径持有不同观点。然而，他们普遍认同量子计算机一旦问世，将对社会产生革命性的影响。
 
量子计算机被认为将助力解决世界面临的一些最复杂难解的问题。该计划第六个目标的负责人Masahiro Kitagawa预测：“量子计算机将开启物理学、化学和生命科学领域的诺贝尔奖级发现，并为金融业注入新动力。”
 
量子计算机的出现将是一场真正的量子飞跃，它不仅仅增加了计算能力，更提供了一种全新的计算方式。这种方式利用了量子物体的神秘特性，如叠加和纠缠，使其能够解决当今最强大的计算机也无法应对的问题。
 
日本政府内阁办公室副主任Daisuke Kawakami表示：“这一登月目标旨在通过量子计算机实现跨领域的创新，并促进向知识密集型社会的转变：我们的目标是改变社会。”
 
尽管人们普遍认为量子计算机具有颠覆性的潜力，但关于开发量子计算机的最佳路径，意见却纷繁复杂。
 
大阪大学量子计算教授Kitagawa说：“目前还没有人知道哪个平台能实现容错量子计算。我们甚至不确定哪些平台最有潜力。”
 
“一切都悬而未决。”Kitagawa补充说：“最好的平台可能是一个我们还未考虑过的全新平台，也可能是多个平台的组合。有些平台可能在最初几十年里领先，但最终可能会被其他平台超越。”
 
 
1999年在日本展示了首个超导量子比特
 
1999年，Yasunobu Nakamura和Tsai Jaw-Shen通过展示世界上第一个超导量子比特（量子计算机的关键构件），为日本在量子计算机领域的发展开启了一个良好的开端。他们的工作还包括实现了双量子比特门和量子纠缠，这些都是量子计算的重要里程碑。
 
Kitagawa评论道：“当时，日本在全球量子计算领域处于领先地位。”
 
然而，在2010年代初期，随着谷歌、IBM等大型跨国公司加入量子计算机研发竞赛，日本遭遇了所谓的“量子寒冬”。
 
Kitagawa指出：“日本经历了一段量子寒冬，研究资金枯竭。甚至像Nakamura教授这样的研究者也难以获得足够的资金继续他的量子计算研究。资金减少的背后，是人们对容错量子计算难以实现的普遍认识。”
 
因此，“登月计划”象征着日本对于实现容错量子计算机潜力的新的乐观态度，标志着一个“量子之夏”的来临。这个计划设定的2050年“登月”目标表明，距离实现这些目标我们只有不到三十年的时间。
 
实现容错量子计算机的目标寄托了巨大的希望和期望。这一目标的实现，需要我们勇敢地探索未知的领域，迈向量子计算的新纪元。
 
参考链接：
https://www.nature.com/collections/gieejcdceg
 
 

 

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