今年的诺贝尔物理学奖授予了在构成物质的原子和电子等“量子科学”方面取得成果的三位欧美物理学家。他们还是帮助人们实现“量子计算机”梦想的基础信息技术的关键人物。日本的产业技术综合研究所（简称“产综研”）和新能源产业技术综合开发机构（NEDO）向记者们介绍了日本在量子计算机方面的开发状况，并公开了研发基地。研究人员强调：“虽然开发需要很长时间，但会以‘疯狂爆炸般的速度’解决问题，在完成那一刻就会给社会带来巨大的冲击。”
有擅长解决的问题，期待广泛应用
试制量子计算机电路的无尘室“Qufab”(产综研在茨城县筑波市的研究基地)
“为了应对 IoT（物联网）社会不断增加的信息量，仅通过现有技术推进半导体的微细化已经显现出了局限性。量子计算机和量子退火机作为实现创新信息处理的基础技术被寄予厚望。”9月底，NEDO物联网推进部部长林勇树在产综研位于茨城县筑波市的研究基地向媒体这样强调。
以往的计算机根据施加在半导体上的电压高低来表示0和1，以二进制进行运算，基本单位是“比特”。与此形成对照的是，量子计算机基于“量子叠加”这种量子力学世界的神奇特性，利用0和1叠加同时存在的状态，将多个计算并行化，单位是“量子比特”。量子计算的高速运算能力甚至有可能远超现有的超级计算机。
量子退火机是一种专门用来解决从多个路线中找出最短路线这类“组合优化问题”的量子计算机。“退火”一词来源于将金属加热然后再缓慢冷却，使结构稳定的工序。在量子退火中，使用量子力学的波动而不是由热引起的波动，寻找低能量状态下的最优解。其原理是东京工业大学特任教授西森秀稔等人于1998年提出的。
例如，推销员要在多个城市巡回，需要寻找移动距离最短的路线这个问题，城市越少越好，因为城市越多，路线的组合会呈指数增长，用遍历的方法找出最优解就越困难。对于这种问题，量子退火机就能发挥其优势。
产综研副主任川畑史郎在量子退火机显微镜照片前进行说明
量子计算机、量子退火机都有望作为利用量子力学原理的计算机，应用于新药开发、材料开发、人工智能、金融等广泛的领域。
产综研新原理计算研究中心副主任川畑史郎介绍说：“量子计算机还处于近乎基础的阶段，并不是明天就能完成的。有人说最快也要20年、30年，甚至更久。（量子计算机）擅长的问题非常有限，但是能以‘疯狂爆炸般的速度’迅速解决广泛存在于各个产业领域的重要问题。在完成的那一刻，就会给产业界带来颠覆性的冲击。”
国际竞争愈发激烈，日本也在倾力开发
作为NEDO的项目，产综研从2016年度开始与日立制作所等一道重点推进量子退火机的研发。去年7月，产综研发布消息称，与横滨国立大学合作，在日本国内首次开发成功量子退火机。虽然加拿大风投公司“D-Wave Systems”于 2011 年在世界上率先实现了量子计算机的商业化，但产综研开发的量子退火机凭借其独有的构架，能够用比传统方法少一位数的量子比特来解决问题，能够轻松处理大规模问题是其优点。
产综研等开发的量子退火机部件
目前，作为NEDO的“量子计算和伊辛（Ising）计算系统的综合研究和开发”（最长到2027年度）委托项目，产综研正在与NEC等合作推进包括量子计算机在内的研究开发，重点是量子退火机。
D-Wave Systems于2020年实现了5600量子比特级量子退火机商用机的销售。不过，据川畑副主任介绍，这样的性能最多能解决10个城市的旅行商问题。要实际应用于社会，100万量子比特量级的大规模集成化必不可少。量子计算机方面，美国IBM去年实现了128个量子比特，但要达到实际应用所需的100万量子比特，据说还需要20到30年的时间。“集成度还差着一位数，未来还必须进行长期的研究和开发”。
在量子计算机开发方面，IBM、谷歌、英特尔等都提出了战略目标，国际竞争愈发激烈。日本也制定了战略目标，为此一直在推进产官学合作，例如在文部科学省的“光·量子飞跃旗舰计划（Q-LEAP）”（到2029年度）以及内阁府的“探月型研究开发制度”中，科学技术振兴机构（JST）负责的目标是“到2050年实现能使经济、产业、安全保障飞跃性发展的容错型通用量子计算机”。这种“容错型通用量子计算机”是指大规模集成化，能在多种用途中发挥出足够精度的量子计算机的高级形态。
日本政府今年4月编制了旨在利用量子技术改造社会的“量子未来社会愿景”。
极低温、自动检测——加快开发的“王牌”
产综研引进的“稀释冷冻机”
产综研向媒体说明了一系列情况，并公开了研发基地的最新设备。其中之一是量子计算机和量子退火机工作所必需的几乎绝对零度的低温下，用于性能评估的冷冻机。该机器是从芬兰的一家企业引进的，用来评估样机。
现在平时使用的个人电脑是由CPU（中央运算处理装置）进行控制和运算，在量子计算机中两者则是分开的。所以目前的情况是，运算的芯片放在冷冻机内，旁边立着用电缆相连的巨大的控制装置。为此，产综研正在开发具有控制功能的小芯片“低温CMOS集成电路”。如果能够实现，那么系统将变得更小更省电。
作为提高研发水平的“王牌”而导入的探测仪，能够在极低温条件下直接在直径300毫米的晶圆（基片）上连续自动检测器件性能。传统的装置体积较小，需要分割晶圆手动检查，一次检查几个元件。瞄准大规模化而导入的探测仪使检测速度提高了100多倍。它能在低温CMOS集成电路的基本元件——晶体管等的开发中发挥作用。
“300毫米低温晶圆检测仪”（左），及直径300毫米的晶圆（右）
此次还公开了引进专用装置建设的日本最大规模的无尘室，以及实际制造的量子退火机芯片等。川畑强调说：“为了达到最终目标‘容错型通用量子计算机’，相关研究开发正在世界范围一步一步地推进。像接力赛一样，传递技术接力棒，长期持续下去非常重要。”
量子计算机的开发确实是一项以实用化为目标的长期举措，需要好几代研究人员的努力。此番公开展示，让人们看到了为未来社会而在扎实开发的最前线。量子力学充满了不可思议，说实话很难理解，记者也想边学习，边关注关系着日本产业竞争力的研究开发动向。
原文：草下健夫/ JST Science Portal 编辑部
翻译：JST客观日本编辑部
【相关链接】
产综研“量子计算和伊辛（Ising）计算系统的综合研究和开发”
JST“光·量子飞跃旗舰计划（Q-LEAP）”
JST“登月型开发项目目标6 到2050年实现能使经济、产业、安全保障飞跃性发展的容错型通用量子计算机”
内阁府 “量子未来社会愿景”
