科技雷達｜隧穿不确定性的另一條道路

文 ／ 劉洋

施堯耘

阿裡巴巴達摩院量子實驗室負責人

2020年12月23日，達摩院量子實驗室正式開源了量子計算模拟器“太章2.0”、阿裡雲量子開發平台（ACQDP）和一系列量子應用案例。

計算的世界受困于摩爾定律的停滞太久了，每個人都知道量子代表了不同的天空，會帶來無限的可能。2020年10月16日，中共中央政治局在第二十四次集體學習上宣布将“量子科技”上升為國家戰略，業界熱情更加高漲。

2020年全年，中國新增了700多家量子相關公司。截至2020年12月，中國已有4200多家量子相關企業，其中85%的注冊新增于最近五年。談到量子計算，每個人都充滿興奮。

但在量子計算最核心的地帶，阿裡巴巴達摩院量子實驗室負責人施堯耘仍舊保持着一貫的冷靜，層出不窮的驚人融資和不斷推高的産業預期都不屬于他思考的範疇。他知道資本确實在湧進，但科學還沒有走出沉寂，可擴充的商用量子計算機不會因為資金蜂擁而至就瞬時成真。這份定力可能源自于他二十多年的學術生涯，他在普林斯頓大學和加州理工求學，執教于密歇根大學安娜堡分校。

但作為學者，他也并不排斥“泡沫”，“如果把‘泡沫’定義為預期超過現實，量子計算是不是‘泡沫’就要靠時間來判斷。”施堯耘說：“即使有‘量子寒冬’，人類也遲早能實作量子計算。考慮到人才培養、技術擴散和降低門檻，短期泡沫甚至還是很好的戰術，畢竟冒險是人類天性和成功秘訣。”

科研和做菜

施堯耘愛用佳肴來比喻超導量子晶片，他會說“超淨間就像廚房，我們在那炒出量子晶片的佳肴”，也會說“量子晶片在封裝區被放在托盤中就像盛菜”，還會說“封裝好的晶片在測量區被放進極低溫冰箱，并通過同軸電纜連接配接、檢查和操控，這和嘗菜别無二緻”，而二樓會議室經常召開的設計會就像“大廚在‘腦暴’菜單”。

從在加州理工大學獲得量子計算領域的博士後，施堯耘的研究和事業再也沒有走出這個領域。他對量子計算的科學和現實意義有着清晰而獨特的闡述，那就是“快”、“異”和“酷”。

“快”是形容計算的步驟，急劇減少。在施堯耘的原創比喻中，量子計算機和經典計算機就像袋鼠和烏龜賽跑，“烏龜在平面爬，袋鼠在三維空間跳，烏龜成千上萬步爬過的距離，袋鼠可能幾百跳就到了”。

“異”指的是量子計算機的原理與經典計算機迥然不同，為解決問題提供了全新工具。但并不是新工具就能解決世界上全部的現實問題，如強AI和無窮組合優化的問題，可能無論經典或量子計算機恐怕都無法完美解決。是以人們需要針對具體場景，嘗試不同的工具。也許今天最好的解法是量子，明天變成經典，而後天又被量子扳回，如此反複，很難确定量子vs經典，孰優孰劣。但隻要這些問題的價值足夠高，多一條路徑解決和工具就多一分創造價值的可能。

“酷”則指作為精緻的大型人造系統，量子計算機其本質是前所未有的極緻科學實驗。實體學家喜歡稱量子資訊技術——特别是量子計算為“第二次量子革命”。第一次的量子革命為量子力學的誕生，而實驗基本都是天然的簡單量子系統。量子計算機作為人造的、規模巨大的、能随意操控的量子系統，将成為量子力學乃至人類文明最璀璨的“創造物”之一。

施堯耘當然知道自己的角色不是管理餐廳的大堂經理，而是量子實驗室研發的負責人，畢竟兩種職位角色完全不同。但另一方面，在真正的工作中，他就不能清晰地劃出這條分界線了，他有時也會無奈地說，“研制量子計算既是工程，也是科學；既是基礎，也是應用”。他還會非常認真地說：“這麼說既很沖突，但又确實是實事求是的說法。”

科學和工程的雙重挑戰

沖突是量子研究的特色。量子計算以量子比特為基本單元，通過調控量子态實作存儲和計算。在某些令人望而生畏的複雜問題，如新材料篩選和大資料分析上，量子計算機具有經典計算機無法比拟的資訊處理能力。在人工智能之後，這是最令人矚目的時代科技。

但優質的超導量子比特實作起來非常困難。它其實是一個系統，由電容、電感等多個部件組成，其中最重要的是一種被稱為“約瑟芬節”的部件。這個肉眼可見的系統在接近絕對零度、與世隔絕的環境中表現得如同單個微觀的原子：有着離散的能級，不同能級間的轉化伴随着光子的吸收和發射。這就是為什麼超導量子比特也被稱為“人造原子”，而人們對不同的設計也取了原子一般的名字，如Transmon、Gmon、Fluxonium等等。科學原理和工程實作在這裡都面臨着不小的挑戰。在基礎研究領域，科學家必須弄清楚量子信号是如何丢失的，以及如何通過加強凝聚态實體和量子糾錯碼研究來檢測和抑制對系統的幹擾。在工程實作上，工程師們又必須找到方法用幾近完美的納米結構搭建超導量子比特這樣的人造原子，并研究如何将它和充滿幹擾信号的環境最徹底地進行隔離，還要給它最精确的控制微波信号，隻有這樣才能制造出具有使用價值的高精度量子計算機。

“不僅在量子計算領域，當今科學已經高度工程化，應用研究和基礎研究經常融為一體。”施堯耘在本質上反對清晰地區分基礎研究和工程，他可以舉出很多例子來反駁這種“武斷”的劃分。即便是做量子計算這種高精尖研究的人才，也都是要做“碼農”的，甚至量子計算的很多步驟也高度依賴操作者的手巧眼利，“我有時甚至搞不清楚‘高’科技和‘低’科技之間的差別。”

在征服不确定性的道路上，沒人知道最大瓶頸和最大的突破在哪裡。量子實驗室的科學家趙彙海說：“量子計算機的研制也許涉及到100多個步驟，每個步驟都有不小的改進空間，可能到處都是瓶頸。”

享受不确定性

無論是科學或工程，基礎或應用，隻要是研究，共同的特點就是不确定性。

“這也給了我達不到KPI最好的理由！”施堯耘自嘲說，不确定性之咒充斥着量子征途上的每一步：小到量子比特的設計、制備材料的選取和制備工藝參數的選擇，大到超導和離子阱等量子系統的運作；快到随時可得的實驗資料，慢到實驗能夠帶來實際價值。

五年前，時任阿裡巴巴集團CTO張建鋒請施堯耘來阿裡巴巴，問他“量子計算需要投入多少年可以實作？”，他說“十年”。幾年之後，他每次被問或者做演講時，他還說“十年”。終于有一天，他意識到需要自圓其說，于是告訴張建鋒：“中文的‘十’是虛數。‘十年’的真正含義是，既不是馬上，也不是不可能。”

一直以來，這位科學家都喜歡用數字“三”來歸納針對某一問題的思考。他認為應對不确定性的核心政策是三條：系統的方法、清晰的邏輯和不斷的檢討；做決策的指導原則也是三個：差異化、聚焦和着眼長線。遵循着這樣的原則和政策，量子實驗室技術路線選擇了兩個支撐點——“先高精度，後多比特”和“以新型比特Fluxonium為平台”。

當競争對手不斷宣布可操縱比特數的世界紀錄時，實驗室也承擔了某些壓力，但施堯耘不太在乎這些，他認為隻用比特數來衡量量子計算就像蘇東坡說的“論畫以形似，見于兒童臨”，他說，“如果比特不夠好，操作精度不夠高，越多比特越垃圾”。

究其根本，這其實是科學研究是否需要獲得更多關注的問題。施堯耘說，達摩院的量子實驗室在做出第一個傳統比特Fransmon後就全力進入新比特Fluxonium的無人區，目标是在非主流比特上發展最高精度技術，而制造輿論熱點不應該成為科學家考慮的問題：“如果一定要在‘獲得外行的贊歎’和‘赢得行家的尊重’之間做出選擇，科學家都會毫不猶豫地選擇後者。”

對于行業使用者“如何更好得迎接量子計算的到來”，施堯耘再次給了三個關鍵詞——Get educated（了解知識）、Besensitive（保持敏銳）和Engage（投身其中）。

“即便不是職業發展的需求，對量子計算有基本的了解也是有意思的見識。然後，大家可以跟蹤研究的進展，并積極思考和自身工作的關聯，例如格外重視隐私的企業可能要考慮更新密碼系統。”施堯耘認為，量子計算的未來确實迷霧重重，但任何技術最終的應用一定是百花齊放的，走向這一未來唯一的路徑就是“了解- 跟蹤- 投身其中”。“大家要請專家評估量子計算對業務的影響和可能的機遇，比如能否提前構築競争壁壘。”施堯耘說。