独辟蹊径，NTT Research这台量子计算机有点意思

摘要：量子前哨与中关村产业研究院联合创作，针对全球范围内的量子信息科技，尤其是量子计算产业化方面的国家政策、技术脉络、活跃企业以及知名科学家等内容，进行系统性的介绍，以飨读者。这是此系列文章的第十八篇。

（图片来源：NTT官网）

NTT Research的前身是世界500强企业、日本最大的电信服务提供商日本电报电话株式会社 (Nippon Telegraph & Telephone，NTT）的下属研究机构，NTT物性科学基础研究所，于2019年7月正式独立出来，在硅谷设立总部，由三个实验室组成：物理和信息科学实验室（PHI Lab），密码学和信息安全实验室（CIS Lab）以及医学和健康信息学实验室（MEI Lab）。其中，物理和信息科学实验室专注于基于量子物理学、脑科学和光学的量子计算的相关研究。

电信服务商与量子计算机，这样的组合听起来不像科技大厂谷歌、制造业龙头霍尼韦尔、IT行业巨擘IBM、独角兽初创公司D-Wave等入局量子计算领域显得那么顺理成章，反倒会让人不禁心生好奇，NTT缘何会踏足量子计算领域？他们的主营业务又对其量子计算的研发产生了哪些深远影响呢？

这一切，可能要从上个世纪说起。1960年代，线电、微波的频率已不能满足增长中的电视、电话对带宽的要求，因此电信工程师们迫切地想找一种更高的频率来承载信号，世界上第一台激光器就此在美国诞生。

世界上第一台激光器（图片来源：虎嗅）

但人们很快发现激光通信在空气中传播会受到各种干扰，于是工程师们把目光转移到光纤上。经过近10年的不懈探索，尤其是在1966年，英藉华人工程师高锟（K.C.Kao）论证了光导纤维传输信息的可行性后，光纤通信即刻成为全球研发的热点，全球的科学家、工程师全力以赴。43年后，高锟也因此发现荣获2009年诺贝尔物理学奖。

在日本光纤研发大军中，NTT名列前茅。1979年，NTT成功研制出0.2db/km的极低损耗1.5微米石英光纤，标志着人类史上第一个商用光纤通信系统问世。1981年，该系统首先被引入日本郊区广播服务站进行商用测试，NTT于20年后正式推出FTTH（光纤到户）系统，首次将光纤接入日本的千家万户。时至今日，FTTH依旧是全业务、高带宽的接入需求的最好模式。

至此，NTT在光纤传输研发领域的领先地位成就了其位列世界五大电信公司之一的美誉，却也几乎同时启发其以一种别具一格的方式开始探索全球最前沿的技术之一，量子计算机的研究与开发。

2001年，随着IBM与斯坦福大学（Stanford University）开始量子计算机的研发，日本政府提出了一个为期5年的量子计算与信息计划，包括NTT、NEC（日本电气）、日立公司在内的多个日本行业领先企业积极响应，纷纷开始了量子技术探索之路。

基于在光纤技术领域的领先优势，NTT几乎是自然而然地选择从激光技术路线出发，利用光学基础解决量子计算机的研发难点。量子计算机所需元件与传统计算机大相径庭，其中包括存储量子信息的存储器（量子比特）、对存储器进行操作的量子逻辑门、每个存储器比特的读出装置、这些装置的集成等等。量子计算机研发最具挑战性部分之一就是将量子信息保存在存储器中足够长的时间来执行所有的量子处理。

基于此，NTT于2004年成功研制出超导磁数量子比特，它能通过比光能量更低的微波照射来控制量子比特，为光控制量子比特开辟了新路，被认为是当时最有希望应用于量子计算机的基本组件。2005年，NTT又研制出基于硅光子晶体的高Q值光振荡器，实现光振荡器Q值突破100万大关，有望成为光内存和光开关等光逻辑电路的基本技术，也是基于光子的偏振状态来实现量子计算的重要基础。随后，NTT又与英国布里斯托大学合作，开发出一种完全可重新编程的量子光处理芯片，再次为实现光量子计算打下基础。

2014年，时任NTT物性基础科学研究所客座研究员、斯坦福大学教授山本喜久被任命为日本内阁府推出的量子科技研究项目“ImPACT”的负责人，在他的带领下，NTT牵头的研究组研发出一种基于简并光参量振荡器的相干伊辛机（Coherent Ising Machine,CIM），并成为日后NTT在量子计算领域探索的最主要路线。

CIM是一种全新类型的结合光和电处理能力的计算机，以描述磁场机制的物理模型伊辛命名。它使用了一种特殊类型的激光系统来模拟磁场机制，通过电路模拟出大量激光脉冲，并利用可编辑逻辑门阵列(FPGA)连接脉冲群，在多次环行后找到最为稳定的相位组合，其余计算由激光系统完成。这有点类似于D-Wave量子退火机，同样是为解决组合优化问题而设计的，但有所区别的是，CIM使用光纤环、光参量振荡器和其他设备而不是超导电路来寻找伊辛哈密顿量的基态，这使得CIM无需像D-Wave的量子退火机那样需要在严苛的低温环境下才能工作，有利于更早实现商用。

（图片来源：NTT官网）

2017年，NTT与斯坦福大学、日本国立情报学研究所等机构合作开发的初代CIM公开发布，可以瞬间解决最大2000个要素的优化问题，宣称计算速度是传统计算机的100倍。另外，研究人员还构建了一套云系统，一般用户也可以通过互联网接入该CIM，体验使用CIM解决规模优化问题的计算机制，并为今后CIM应用落地提供思路。

随着2019年初NTT Research在硅谷独立，其下一步开始向10万量子比特、100亿全连接的CIM进发。

2019年11月14日，NTT宣布与美国国家航空航天局（NASA）等展开合作，开始研发基于光网络的新型量子计算机；2020年3月，与东京大学合作，通过使用NTT的非线性光学晶体器件实现量子噪声75%的压缩率；2021年1月，宣布与加州理工学院（Caltech）应用物理和材料科学系启动为期4年半的项目，合作开发世界上最快的CIM。

从根本颠覆经典计算机，是NTT Research长期目标的一部分，为了推进这一目标，PHI实验室已建立了CIM全球联盟，联盟包括九所顶级大学：加州理工学院、康奈尔大学、麻省理工学院、斯坦福大学、斯威本科技大学、密歇根大学、东京大学、东京工业大学和圣母大学，还有一个政府机构：硅谷的NASA艾姆斯研究中心；以及一家量子计算软件私人公司：1QBit。这个CIM全球联盟目前正在共同推进十余个联合研究项目，相信在不远的未来，我们就得以一窥NTT定义下的量子计算世界全貌。

文：Chelsea

编辑：王珩

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