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随机行走人生路 量子计算是归途

精彩提要
 
计算机科学家拉米·巴伦兹(Rami Barends)做了不太正统的选择,从学术界跳槽到工业界,加入谷歌硬件实验室,建造量子计算机。在本文中,巴伦兹自述了这一心路历程。
 
撰文 | 拉米·巴伦兹
翻译 | 张    珊
校译 | 瞿立建
责编 | 陈晓雪
 
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我在位于美国圣芭芭拉的谷歌量子硬件实验室工作。目前,我们在做一件前所未有的事情,即试图基于量子力学原理,开发一种用于计算的潜在的巨大自然资源。如果量子计算能够成功实现,必将扩展人类的计算极限边界,同时,在实现这一目标的过程中,我们所开发的新科技和新材料也会带来额外的价值。然而,对我而言,并没有一条清晰的路径,把我导向量子计算。
 
当快高中毕业的时候,我参观了几所高校及其院系以便决定读什么学位。当时我想学习一门自然科学,但是发现自然科学包括的学科很多,貌似都令人兴奋,让我一时拿不定主意。突然有一天,物理学触动了我。设想一下,假如你关掉电源,那么就没有计算机科学、航天工程可言,假如你身处沙漠,海事工程也将无济于事。然而,物理在任何情况下都是存在的。
 
最后,我决定学习物理。为了离家人近一些,我选择了位于荷兰的代尔夫特理工大学。他们的物理课程需要五年的时间,首先是一系列不错的入门课程,紧接着是做课题,中间需要完成一个小型项目,最后在一个研究小组中完成一年的科研训练,这也是整个大学学习生涯最精彩的阶段。
 
在第三年的时候,我才真正开始学习量子物理和固体物理课程,但我并不喜欢这两门课程。我甚至觉得它们很无聊,因为这两门课并没有解释科学意义上的怎么做和为什么,反而聚焦于无休止的晶格。相反,我喜欢其它的物理课程,并且擅长数学。直到第三年年末,我加入了特恩·克拉普维克(Teun Klapwijk)的课题组,从事关于天文精密仪器的研究,才突然喜欢上了固体物理。
 
 
当时的课题是“辐射热混频器”(bolometric mixers):拿一根超导线,在电流偏置的情况下,微弱的光信号就会使导线发热,并产生可被测量到的电阻。我们希望通过改变电子扩散能力来提高探测器(如混频器)的带宽。在大学的最后一年,我又回到组里,继续研究这个课题。当我发现理解电子配对这一概念能够让你建立了解宇宙的探测器时,我感到惊奇不已。
 
不出意外地,我继续留在克拉普维克研究组攻读博士学位,方向是微波动量电感探测器。研究背景也比较简单,即利用超导谐振电路,吸收来自遥远的行星、恒星,甚至宇宙大爆炸本身的光——被吸收的光会破坏超导体中的电子对,从而导致频率发生可测量的偏移。这种谐振器的阵列可提供一种建造大规模、远红外相机的方法。期间,我学到了很多微波工程、系统设计和超导系统中低温物理的知识,这些知识对于今后的职业生涯非常宝贵。
 
拉米·巴伦兹说:
1.量子计算的成功实现将会推动人类的计算极限。
2.科学研究和技术开发是不可分割的过程。
 
博士毕业以后,为了丰富知识和阅历,我来到美国加州大学圣芭芭拉分校,并在约翰·马提尼斯(John Martinis)研究组获得了博士后奖学金,从事超导量子比特的研究工作。在2010年时,量子位在远红外探测上有着损失,噪音以及寄生信号很多严重问题,幸运的是,我在博士期间有涉及到这些问题。此外,尽管我们能看到量子计算研究的前景,但是这十多年间并没有新的重大突破。因此,我决定一试身手。
 
构建量子位的关键在于延长相干时间,并尽可能消除外界环境的影响(以保持量子位的独立性),同时将它们接到其他量子位和控制线上,这需要平衡各种因素,操作实属不易。相干性受很多因素影响,其中一些甚至是未知的。我们通过重新设计量子比特,提供无噪音的样品环境以及研究新材料等多种组合创新,最终在耦合系统中实现了高于量子门操作时间1000倍的相干时间。实现这点以后,记录门的保真度模拟、误差修正以及化学和绝热演化的量子模拟的论证也随之迎刃而解。我们意识到,这些工作是今后重大进步的基础。
 
2014年,我们圣芭芭拉团队做了一件还没有人做过的事情:在维持学校正常运作的同时,加入谷歌,成立了量子硬件实验室。期间,退出已有基金、撰写研究论文以及以参加谷歌入职面试等很多事情全赶在一块了,以致有些忙乱。然而,加入谷歌帮助我们提升到全新的专业水准,我们获得了长期的资金支持。同时,不同于很多临时的学术职位,这里允许留用研究人员。此外,得益于谷歌在材料分析、清洁软件实践(clean software practices)与电子器件开发方面的大力支持,我们的项目进展得更快了。对我个人来说,最大的变化是工作重点从建立面向学术的量子系统转向面向应用开发的系统。尽管日常活动并没有太大变化,依旧是运行实验、分析数据、迭代设计以及编写软件,但自如地设定定量指标,深入研究量子位相干性和尺度问题都离不开多年来受到的物理训练。
 
那么如今什么才是投身于量子计算的最好途径呢?回顾过去的经历,加入谷歌显然是我人生的分水岭,但这其实源于当初我意识到物理学和天文学之间的联系。基础研究和技术开发不可分割,我也有幸能够与这个领域最优秀的人一起工作,向研究课题负责人学习,指导聪明的学生,与其他团队合作,现在又成为谷歌优秀团队中的一员。尽管我未走寻常路,但鉴于量子计算是一个多学科交叉的新兴领域,我仍然可以为此贡献自己的力量。
 
关于作者:
拉米·巴伦兹(Rami Barends),物理学家、计算机科学家,就职于谷歌量子硬件实验室。该实验室位于美国加利福尼亚的圣芭芭拉。联系邮箱:barends@google.com。
 
本文为Physics World专栏的第5篇。
 
版权声明
原文标题“Random walk to quantum computing",首发于2017年12月出版的Physics World,英国物理学会出版社授权《知识分子》翻译。中文内容仅供参考,一切内容以英文原版为准。未经授权的翻译是侵权行为,版权方将保留追究法律责任的权利。
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