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寻访 | 澳大利亚的量子比特铸造厂
光子盒研究院出品
前言：为了普及科学技术知识、传播科学思想，光子盒特开启「寻访」专栏，带领各位读者探访全球的量子工厂和实验室。
在悉尼大学达林顿校区的中央，矗立着一座大型建筑，它的外皮是玻璃的、银色的，里面的科学家正在解开量子领域的秘密。
2023年2月，悉尼大学宣布投资 740 万美元，用于扩建其量子技术设施，以在悉尼纳米科学中心建立未来的量子比特铸造厂。
这座大楼于2016年作为最先进的、价值1.5亿美元的纳米科学中心开放，是世界上最稳定和最严格控制的环境之一，由于周围有法拉第屏蔽，研究实验室与所有外部振动和电磁辐射隔离。
事实上，悉尼大学(USyd)理学院副院长Stephen Bartlett教授说，该建筑“本身就像一个科学实验。”Bartlett也是USyd量子理论小组的负责人，他说“整个建筑的核心”是纳米加工洁净室。
大楼的西半部没有电梯——电梯会发出电磁辐射，沐浴在琥珀色的灯光下，这可以保护里面正在制造的、非常精细的量子设备免受破坏性的紫外线照射。
所有在洁净室内闪亮的金属托架和显微镜前工作的科学家们都穿着全套的“防护服”，以保护它不受灰尘、死皮和我们身体散发的其他微粒物质的影响。
这个洁净室也是最近启动的价值740万美元的未来量子比特铸造厂的所在地。这是一个新的国家设施，将扩大和加强开发未来量子计算机技术的工作。
这种新品种的计算机，在利用量子领域的神秘力量时，将使今天最强大的超级计算机也显得迟钝：正如早期模型已经证明的那样。
例如，在2019年，谷歌声称其Sycamore量子计算机已经实现了“量子计算优越性”，完成了甚至最强大的经典超级计算机都无法完成的数学计算。
悉尼大学副校长（研究）Emma Johnston教授说道：“未来的量子比特铸造厂将利用悉尼大学在先进量子技术方面的研究领先地位，使我们处于下一代量子比特设计的最前沿。”
量子比特是量子计算机的构建块。它们类似于经典计算机中的比特，但实体是光子或电子等亚原子粒子，它们在存储和处理信息的方式上按照“奇怪的”亚原子逻辑运作。
例如，与经典计算机中的比特不同，它们总是处于两种物理状态中的一种（0或1这样的数字二进制），而量子比特可以以混合状态存在，这是因为量子术语中的一种现象被称为“叠加”。
更重要的是，量子计算机中的量子比特可以在纠缠状态下相互依赖地运行，而不是像经典计算机中的比特那样独立运行：对一个量子比特的调整将可预测地影响所有其他的量子比特，即使它们没有相互接触。
在这种“不可分割的状态”中，量子比特并不是多个不同的物体，只是相互影响。就数学而言，它们实际上成为了一个可以被操纵、利用的东西。
对此，Bartlett表示，这两个量子特性主要是使量子计算机具有卓越的计算能力：它们基本上使量子计算机能够并行地进行许多计算，而不是像经典计算机那样一次只能进行一个计算。
但Bartlett也承认，量子比特的叠加和纠缠究竟是如何使量子计算机进行同步计算的，仍然是一个谜。
“我不认为说（一个量子比特）可以同时处于多个状态是一个令人满意的答案。它可能是一个‘零’，但它也可能是别的东西。那其他东西是什么？这就涉及到了量子力学的全部核心，以及它所告诉我们的关于这个世界的内容。而我们没有很好的答案。”
然而，像Bartlett这样的量子物理学家公认的一件事是，在真正的量子比特中，它除了是量子计算机的主要优势外，也是它们的弱点。
这是因为量子比特出了名的不稳定和脆弱：最小的外部噪音（例如，电磁辐射或温度变化）都会导致它们的脆弱状态在“退相干”过程中破裂，从而使它们强大的叠加和纠缠的量子特性消失，它们的行为或多或少与经典计算机中的比特相似。
因此，为了正常运作，量子计算机需要完全不受外部环境的影响：它们需要被保存在温度略高于绝对零度（零下273.15度）的强大制冷机中，这比星际空间还要冷几个数量级。
为了达到这样的极端温度，这些冰箱需要连续使用大约10千瓦——比三间普通房屋还要多，并且需要He-3——一种极其稀有和昂贵的同位素。
量子比特的脆弱性是量子计算的主要挑战之一，“未来的量子比特铸造厂 希望通过制造下一代量子比特来克服这一挑战。”据巴特利特说：“这些量子比特对噪声和退相干更加坚固，因此能够更好地保持其量子性质。”
澳大利亚未来的量子比特铸造厂的新资金，大约有一半将被用于研究和开发新的、改进的量子比特；另一半将用于购买控制和操作量子计算机所需的电子基础设施和稀释制冷机等设备。
“这将使我们能够对这些新的量子设备进行测试。”Bartlett说。
Bartlett认为这项投资是一个让量子计算的科学突破走出大学实验室并走向世界的机会，同时也是对澳大利亚政府和私营公司的邀请：“我们对商业和合作持开放态度，让我们一起努力，看看我们是否能建立一些东西。”
他希望，澳大利亚能抓住这一独特的机会，在量子计算领域“引领世界”。
在专家看来，用不了多久，量子计算技术就会被广泛用于现实世界，比如开发更好的电池、更好的药物以及更有效地解决优化问题。
“10年后，如果这还没有发生，我会非常惊讶。”Bartlett补充说，新南威尔士州交通局已经在投资量子计算技术，试图帮助解决与人员流动有关的棘手问题。
USyd也表示，该设施还将有助于确保澳大利亚能够培训出操作未来量子技术所需的量子劳动力。
“我们必须真正考虑新技术对我们的环境会产生什么影响，我们最好在大肆推广之前开始这样做。”
但是，尽管对未来的量子比特铸造厂、以及更广泛的量子计算机感到兴奋，Bartlett也提出了一些警告。
他还担心准入问题：是否只有富裕国家才能从量子计算革命中受益，特别是考虑到可能永远不会有室温（因此是低成本）的量子硬件。
“这将是一项在10年或20年内只有少数国家能够获得的技术吗？我认为我们需要长时间地思考如何使这项技术得到广泛使用，至少在安全的情况下是这样的。”
参考链接：[1]https://cosmosmagazine.com/technology/inside-australias-future-qubit-foundry/[2]https://www.sydney.edu.au/news-opinion/news/2023/02/21/future-qubit-foundry-at-forefront-quantum-technology.html[3]https://www.hpcwire.com/off-the-wire/university-of-sydney-to-establish-the-future-qubit-foundry-at-sydney-nanoscience-hub/
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