量子計(jì)算機(jī)攢機(jī)指南

攢機(jī)不是技術(shù)活，我行你行大家行

又到一年一度的雙十一，今年人民教育家馬爸爸又給我們帶來(lái)了新的點(diǎn)贊游戲，用別人的平臺(tái)賺自己的錢(qián)，真的想問(wèn)哪位產(chǎn)品經(jīng)理設(shè)計(jì)出來(lái)的，我很期待“有夢(mèng)想誰(shuí)都了不起的”的Pony老板又會(huì)安排被微信小游戲耽誤了的“高爾夫冠軍”張小龍會(huì)制造出什么新的“Ali斷舍離”措施。

那么，作為C114 Future部量子研究所的二號(hào)研究員我決定給大家一篇，畢竟普通的雙十一已經(jīng)滿(mǎn)足不了中國(guó)人民了。

首先，作為一名普通用戶(hù)，目前市場(chǎng)可以合法購(gòu)買(mǎi)的只有D-wave的量子計(jì)算機(jī)，價(jià)值1500萬(wàn)美元的整機(jī)顯然不符合我們動(dòng)手?jǐn)€機(jī)的行動(dòng)準(zhǔn)則，Pass。

至于Dakyo君在上篇中介紹的Microsoft的拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)八字還沒(méi)一撇，Pass。

接下來(lái)，我們來(lái)看超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)，看起來(lái)不錯(cuò)，不僅理論體系成熟，而且Google和IBM都已經(jīng)成功打造出不同量子比特（Qubit）數(shù)的原型機(jī)。

但如上圖所示，太占地方，考慮到大家的財(cái)務(wù)情況不太可能包下一棟樓來(lái)攢機(jī)（心疼你們一秒），顯然沒(méi)有性?xún)r(jià)比。同理，牙膏廠(chǎng)的量子芯片也Pass。

接下來(lái)的選擇就不多了，例如，清華大學(xué)的NMR量子計(jì)算機(jī)，盡管核磁共振技術(shù)已經(jīng)有70多年的發(fā)展歷史，但應(yīng)用在單量子操縱上，情況不慎良好，射頻脈沖不可能不影響到其他量子比特，Pass。

那么，這里我將為大家推薦一種高性?xún)r(jià)比的量子計(jì)算機(jī)攢機(jī)方案，這也是清華大學(xué)姚期智教授領(lǐng)軍的交叉實(shí)驗(yàn)室所選擇的方向——“鉆石”量子計(jì)算機(jī)。

在今年九月的國(guó)際量子密碼大會(huì)上，姚期智教授在演講中提及，“比起離子阱和超導(dǎo)技術(shù)，選用鉆石材料制造的量子計(jì)算機(jī)所占的空間要小得多。而且作為固態(tài)量子計(jì)算機(jī)，金剛石材料更具代表性，不僅物理結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，在實(shí)驗(yàn)當(dāng)中相干時(shí)間也更長(zhǎng)，保持了10分鐘之久?！保ó?dāng)然，相干時(shí)間并不代表你操縱量子比特時(shí)真正能夠用來(lái)運(yùn)算的時(shí)間，我在后面會(huì)提到。）

大家來(lái)攢機(jī)吧

雖然，我們不用考慮牙膏廠(chǎng)還是農(nóng)企的顯卡，但是無(wú)論選用上面何種手段，必須要考慮的問(wèn)題是——良好Qubit的制備。

所謂Qubit，區(qū)別于傳統(tǒng)的0和1，并不僅僅是0和1的疊加（Superposition），而是0-1之間一切位置的疊加，如同用1、0僅僅是高、低電平的數(shù)學(xué)形式。而且疊加同樣僅存在于不對(duì)其干擾（無(wú)論是觀(guān)察還是測(cè)量）的時(shí)刻。

感謝海森堡，我們?nèi)晕粗滥翘焖氐呢埖纳馈?/p>

鉆石除了恒久遠(yuǎn)之外，實(shí)際上擁有著令人驚異的優(yōu)質(zhì)屬性，除了眾所周知的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)之外，在Qubit制備方面，更有著其他方案難以企及的優(yōu)勢(shì)——無(wú)需冷卻液，你甚至在室溫環(huán)境即可制備Qubit，簡(jiǎn)直是攢機(jī)首選。

Crystals are like people,it is defects in them which tend to make them interesting!

——Colin Humphreys

正如英國(guó)物理學(xué)家Colin Humphreys所說(shuō)，鉆石就如同人一樣，正是它的缺陷讓它更加迷人！

氮晶格空位中心鉆石（Nitrogen-Vacancy center diamond）示意圖

你甚至不需要用到一顆完美的鉆石，驚不驚喜，我們需要的是有獨(dú)特缺陷的鉆石，這是一種被稱(chēng)為氮晶格空位中心鉆石（Nitrogen-Vacancy center diamond），這種結(jié)構(gòu)更加適合捕捉電子，并且由于空位的存在會(huì)與相關(guān)的自由電子的“自旋”產(chǎn)生疊加態(tài)，自發(fā)的構(gòu)成Qubit。除了制備Qubits外，科學(xué)家也在研究其作為量子中繼器，跨越長(zhǎng)距離保持脆弱的量子信息的可能性（好了，閃存和硬盤(pán)的問(wèn)題也解決了）。

當(dāng)然，有缺陷的鉆石也是鉆石，似乎不太滿(mǎn)足我們高性?xún)r(jià)比的標(biāo)準(zhǔn)，接下來(lái)才是這個(gè)方案的核心內(nèi)容。

在我的BGM里你甚至能自己造鉆石！

是時(shí)候點(diǎn)贊評(píng)論轉(zhuǎn)發(fā)一波了。

在實(shí)驗(yàn)室里，你可能得到的是一臺(tái)微波等離子設(shè)備（Microwave plasma chamber），但實(shí)際上，你只需要一臺(tái)家用微波爐即可，畢竟二者頻率、功率都差不多。唯一麻煩的一點(diǎn)是你需要制造一個(gè)真空環(huán)境來(lái)點(diǎn)燃等離子體，但眾所周知，真空環(huán)境用壓縮袋抽一抽就可以制造了。

真的和家用微波爐差不多的，你們相信我

接下來(lái)就是初中化學(xué)知識(shí)，整點(diǎn)甲烷作為碳載體混入氫氣放入微波爐（有關(guān)氫氣的制備，請(qǐng)參考馬特呆萌所著《我在火星那旮旯上的五百多天》），從而制造出CH3基團(tuán)來(lái)打造鉆石的基礎(chǔ)晶格，只需三天你就能打造出一個(gè)直徑10毫米左右。

（考慮的你們的真空環(huán)境，可能達(dá)不到這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，不過(guò)我們的量子計(jì)算機(jī)也不需要太大的鉆石，3、4毫米便可用于測(cè)試了，微波爐大概轉(zhuǎn)兩天就可以了，畢竟電費(fèi)也在我的考慮范圍）

很多人都在這一步失敗了，失敗的原因并非他們的實(shí)驗(yàn)設(shè)備、或者環(huán)境出了問(wèn)題，而是他們把做好的鉆石拿去賣(mài)了？這不是雙十一回血指南，專(zhuān)心攢機(jī)好嗎！

答應(yīng)我，好好攢機(jī)

然后，你去超市買(mǎi)一把離子槍?zhuān)↖on Gun）射向鉆石就可以制造出完美需要的有缺陷的鉆石了。

當(dāng)我們有了“完美”鉆石，能夠制備良好的Qubit時(shí)，我們需要的是制備更多的鉆石。不對(duì)，是Qubit，并使其兩兩糾纏。如果說(shuō)疊加賦予了量子不屈的靈魂，量子糾纏（Entanglement）則是量子霸權(quán)的強(qiáng)健軀干。

2012年時(shí)，這種鉆石量子計(jì)算機(jī)被科學(xué)家成功打造出來(lái)，當(dāng)然在當(dāng)時(shí)僅有2個(gè)糾纏的Qubits，但依然成功運(yùn)行了Grover算法，并且保持了95%的成功率。

接下來(lái)，你只要再制備3998個(gè)完美糾纏的Qubits就能破解目前一切的RSA加密算法，網(wǎng)絡(luò)不是法外之地，大家自重。

到這里，讓我們檢查一下制備一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)的必備清單：

明確定義的良好Qubits：標(biāo)準(zhǔn)先行 有質(zhì)有量 √

可初始化的系統(tǒng)：完全操控Qubits的狀態(tài)——基態(tài)、疊加或是糾纏

量子電路門(mén)：能夠運(yùn)行算法

具有量子特性的測(cè)量：唯有測(cè)量才能賦予一切意義 測(cè)量即是輸出結(jié)果

長(zhǎng)相干時(shí)間：系統(tǒng)唯有穩(wěn)定，方能持續(xù)有效 √

當(dāng)我們有了良好的Qubits之后，我們便可以試著操縱它們，當(dāng)然你需要置購(gòu)或者租借一臺(tái)可以激光脈沖發(fā)射裝置，通過(guò)激光可以觀(guān)測(cè)鉆石中Qubits的狀態(tài)，并通過(guò)脈沖初始化或者激活系統(tǒng)，便于重復(fù)實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，微波脈沖可以賦予其疊加或者糾纏的狀態(tài)（鉆石量子計(jì)算機(jī)Qubits的相干時(shí)間的確可以保持的很長(zhǎng)，但當(dāng)我們使用/干擾它們時(shí)，留給我們的時(shí)間僅有毫秒級(jí)，即使如此也夠運(yùn)行程序了，如果能保持在液氮溫度下，則可以將時(shí)間延長(zhǎng)到秒級(jí)）。

在完美糾纏基礎(chǔ)上，感謝半導(dǎo)體技術(shù)和激光技術(shù)的飛躍發(fā)展，作為量子電路的基本構(gòu)建模塊，在打造量子門(mén)這一步上，研究界已經(jīng)非常成熟了。我們不僅可以通過(guò)激光器，分束器、磁場(chǎng)控制單元和移相器等來(lái)構(gòu)建所需的量子門(mén)（選擇不多，夠用就行），科學(xué)家甚至研制出了能夠“傳送”量子門(mén)的裝置。

再接下來(lái)，就是將電路嵌合到電路板上，這一過(guò)程MIT的研究人員們已經(jīng)為我們解決了，甚至貼心的使用了硅基模板來(lái)方便我們打造QPU（Quantum Processing Unit）。

image：Dirk Englund和Sara Jarret，MIT