編輯：拉燕 好困
【新智元導讀】21世紀初「一直有進展、永遠沒落地」的吹噓性科技項目中，室溫量子計算機終于脫離此列，世界首台真正安裝、實用的樣本終于實現了！順便，新加坡也表示要斥資1億發展自己的量子計算機。
量子計算可謂是目前最令人興奮（和被炒作）的研究領域之一。
在這方面，德國和澳大利亞的初創公司Quantum Brilliance最近幹了件大事。
世界上第一台基于金剛石的室溫量子計算機在遙遠的大洋洲成功安裝！
世界第一台商用室溫量子計算機
簡單來說，Quantum Brilliance的這台量子計算機，既不需要絕對零度，也不需要複雜的激光系統。
那麽，爲什麽說室溫是一件值得拿出來好好說道說道的事情呢？
量子計算系統的基本思想是，量子比特能夠處于一種不僅僅是「1」或「0」的狀態，而是某種稱爲「疊加態」的組合。
這意味著兩個量子比特可以處于「01」、「10」、「11」和「00」的疊加狀態，從而可以表示更多的狀態和數據。
但是問題來了，這些系統對其環境仍然非常敏感，量子比特只能在很有限的時間內保持給定的疊加態，也就是「相幹時間」。而相幹時間如果受限，就會導致量子比特執行的計算中出現錯誤。
在傳統的量子計算機中，需要用特殊的冷卻方法來保證量子相幹性，而室溫的量子計算機則可以省去這個步驟。
量子的相幹性，或者換句話說，粒子的行爲必須像波（波動性）的這一特點，是一切量子效應的基礎。
那麽，Pawsey是如何實現量子計算機室溫運行的呢？
這就要提到Quantum Brilliance使用的獨特的量子計算方法。
他們利用了合成金剛石中天然存在的氮空穴中心的優點，而沒有使用傳統的離子鏈、硅量子點或是超導傳輸量子比特。
氮空穴指的是金剛石晶格中的一個缺陷，它由鄰近空穴的替代氮原子組成。
這些氮空穴中心具有光致發光（photoluminescence）的能力，能根據發射出來的光線特點讀取量子比特的自旋，不再需要直接和量子比特相互作用。
很多技術，比方說磁場、電場、微波輻射還有光，都可以直接用來操控氮空穴的電子自旋。
具有氮空穴的金剛石晶格結構
根據公司此前發布的白皮書介紹，室溫運行的金剛石量子計算機由一個處理器節點陣列組成。
每個處理器節點由一個氮空穴（NV）中心和一簇核自旋組成：固有的氮核自旋和多達4個附近的13C核自旋雜質。
而核自旋，則充當計算機的量子比特，氮空穴作爲量子總線，介導量子比特的初始化和讀出，以及節點內和節點間的多量子比特操作。
2021年時，已證明的初始化和讀出保真度超過99.6%，而單量子比特和雙量子比特的門控保真度分別超過99.99%和99%，相應的門控時間約10微秒。
有工作表明，使用更先進的量子控制技術，門的保真度可以超過99.999%，門的操作時間可以低于1微秒。
由于注入掩模制造的限制和注入離子的散射，使用現有的「自上而下」的氮離子注入入技術來創建NV中心，無法實現這種精度。
Quantum Brilliance的關鍵發明之一是一種「自下而上」的原子級金剛石精確制造技術，通過表面化學和光刻技術規避上述這些限制。而另一項重要發明是集成量子芯片，它將鑽石量子計算機的電、光、磁控制系統小型化和集成化。
不過，據白皮書顯示，該系統只有5個量子比特，這與谷歌的72個量子比特相比，顯然還相去甚遠。
量子加速器+超算=？
現在，大多數量子計算工作都是在IBM的Quiskit和Nvidia的cuQuantum計劃等平台上的模擬環境中完成的。
而且，目前量子計算機的主流是大型機，大型是從尺寸上說的，現有的産品通常占地幾平米，甚至一個房間大小。
這是因爲各種量子硬件限制了大型機的尺寸，因爲它們是需要在超低溫和/或超低壓以及複雜的控制系統才能運行的大型脆弱機器。
如果沒有室溫量子計算機，那麽情況就會是在全世界每個超級計算和雲計算設施中有幾個量子大型機，但是想要推廣到廣泛應用的程度，還做不到。
在超級計算中心內部署室溫量子計算機，將使研究人員能夠真正利用現場計算、維護和集成。
同時，與Pawsey超級計算研究中心的合作，也是爲了通過建立初始的混合環境，來加速量子和經典系統的配對，這種環境可以診斷瓶頸，並對量子經典集成進行可能的改進。
Pawsey的執行董事Mark Stickells表示，把量子加速器集成到HPC架構中將有助于其4000名研究人員更多地了解這兩個系統如何才能協同工作。
這將提供一個可以證明實際應用的試驗台，因此我們的研究人員可以更有效地開展工作——促進量子科學的發展並加速未來的研究。
「這是邁向混合計算未來的關鍵一步。」
斥資超1億：新加坡要建第一台量子計算機
5月31日，在新加坡亞洲科技展（Asia Tech x Singapore）上，副總理、經濟政策統籌部長兼國家研究基金會主席王瑞傑宣布，量子工程計劃（QEP）正式啓動。
新加坡將聯合三個國家平台來發展量子計算、量子安全通信和量子設備制造方面的能力。
根據新加坡的研究、創新和企業2020計劃，該計劃向這三個平台投入2350萬新幣（約1.14億人民幣），爲期最長3.5年。這些平台將獲得來自整個研究領域的進一步支持。
這三個國家量子平台由新加坡國立大學（NUS）、新加坡南洋理工大學（NTU Singapore）、新加坡科技研究局（A*STAR）和新加坡國家超級計算中心（NSCC）主辦，分別是：
- 國家量子計算中心——通過行業合作發展量子計算能力並探索應用；
- 國家量子無晶圓廠——支持量子設備和使能技術的微加工技術；
- 國家量子安全網絡——在全國範圍內進行量子安全通信技術的試驗，旨在加強關鍵基礎設施的網絡安全。
國家量子計算中心（NQCH）
NQCH將彙集新加坡國立大學和南洋理工大學的量子技術中心（CQT）團隊、A*STAR的高性能計算研究所（IHPC）和新加坡國家超級計算中心（NSCC）的專業知識和資源，在新加坡建立一個量子計算生態系統。
國家量子無晶圓廠（NQFF）
國家無晶圓廠（NQFF）設在A*STAR的材料研究與工程研究所（IMRE），將支持QEP的三大支柱量子計算、通信和傳感，中的量子器件的微型和納米加工。它還將開發與新加坡在量子技術生態系統中的戰略需求有關的使能裝置。
國家量子安全網絡(NQSN)
2022年2月宣布的NQSN將在全國範圍內進行量子安全通信技術的試驗，爲關鍵基礎設施和處理敏感數據的公司提供強大的網絡安全。該倡議由CQT以及新加坡國立大學和南洋理工大學領導，有超過15個私人和政府合作者。
對此，新加坡國立大學CQT主任、NQCH首席研究員José Ignacio Latorre教授評論說：「量子計算正在到來。問題不在于『何時』，而在于『誰將准備好使用這項技術』。」
參考資料：
https://www.hpcwire.com/off-the-wire/pawsey-installs-first-room-temp-on-prem-quantum-computer-in-a-supercomputing-center/
https://www.tomshardware.com/news/world-first-room-temperature-quantum-computer
https://qepsg.org/news-singaporers-quantum-ecosystem-gets-a-boost-from-three-national-platforms
特別鳴謝：（可查閱白皮書更多內容）
https://mp.weixin.qq.com/s/-JD76N6Uh2ttS3JB_ORNuQ