中国量子计算机领先的机会可能真的就要来了。新加坡南洋理工大学高伟波教授团队的突破性发现，可能让光量子计算机跻身主流，而中国正好在这领域处于第一梯队，光量子计算机会率先突破，像传统电子计算机一样，成为未来量子计算的主流设备吗？这项研究已发表在10月14日的《自然-光子学》杂志上。
量子计算机被视为未来科技的核心之一，它关系着人类文明的下一个时代，全球范围内的开发竞争异常激烈。目前被认为最有希望突破的是超导量子计算机，其次是离子阱量子计算机，但中国在这两个领域都还没有进入第一梯队。
全球公认的超导量子比特技术，领军者是IBM和谷歌。这两家公司在超导量子计算的技术成熟度方面遥遥领先，尤其在量子操控精度上达到了极高的水平。
在离子阱技术方面，其特点是拥有极高的相干时间，可以长时间保持量子态。然而，离子阱量子计算机的设备和操作非常复杂，目前的领跑者是Quantinuum和IonQ。
微软则专注于拓扑量子比特，但这一技术还处于概念验证和实验阶段，距离实用化仍有很长的路要走。
中国在光量子计算机领域处于第一梯队，但它更多地被视为一种补充性技术。光量子计算机在量子保密通信和量子网络方面有独特的优势，但在通用量子计算领域被认为难以成大器，你可以理解为它被认为无法发展成像电子计算机那样的通用量子计算设备。
这主要是因为相比超导量子比特和离子阱量子比特，光子之间的相互作用较弱，难以进行有效的量子门操作，而量子门是实现复杂量子计算的基础。然后是光子生成率和操控难度大，光量子计算机在量子纠错上远不如超导量子比特和离子阱量子比特来得成熟。
但超导量子比特和离子阱量子比特都依赖于极低的温度才能工作，这意味着需要极为庞大的冷却装置，比如目前最先进的IBM量子系统2，冷却系统就占了95%的体积，这意味着即使开发成功，也将严重限制它们的便携性和大规模应用——除非室温超导成为现实。
南洋理工大学最近开发出了一种全新的方法，他们使用了两片超薄的二氯化氧化铌并将其晶粒垂直堆叠，这样产生的光子对由于传播距离极短，就可以产生纠缠并保持同步。
由于这种材料厚度仅为1.2微米，只有头发丝的80分之一，并且不需要额外的光学设备来保持光子对的纠缠状态，这将可能把量子计算机的关键部件体积缩小1000倍。
这意味着什么？简单来说，现在的光量子计算机依赖于庞大的光学装置，难以变得更加小巧、简便，而这项技术有可能实现巨大的突破，再加上可以在室温下工作，这会让光量子计算机变得和超导量子计算机、离子阱量子计算机一样有竞争力吗？
超导或离子阱量子计算机在计算精度和稳定性上，已经有了相当的进展，但如果光量子计算机在硬件设计和应用领域中脱颖而出，尤其能解决纠缠光子对生成效率，实现稳定量子操作和误差纠正机制等问题的话，凭借它在长距离信息传输和常温下稳定的天然优势，可能在量子互联网或分布式量子计算领域，具有极大的潜力，未来有可能会成为量子计算领域的关键技术。
参考文献：
Kallioniemi, L., Lyu, X., He, R. et al. Van der Waals engineering for quantum-entangled photon generation. Nat. Photon. (2024). https://doi.org/10.1038/s41566-024-01545-5
