量子計(jì)算機(jī)研究進(jìn)展

來自《南京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)》，作者郭光燦等

摘要：量子計(jì)算機(jī)是未來量子技術(shù)時(shí)代最具顛覆性的技術(shù)，文中將以量子計(jì)算機(jī)的誕生、工作原理和在世界范圍內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀為主要闡述內(nèi)容。目前階段，量子計(jì)算機(jī)的研制已從以院校、研究所的基礎(chǔ)性研究為主體的階段，過渡到以公司企業(yè)為主要研發(fā)驅(qū)動(dòng)力的階段，并開始逐漸進(jìn)入到“量子霸權(quán)”的發(fā)展新階段，當(dāng)然，目前的量子計(jì)算機(jī)還比較初級，離可破解密碼的通用量子計(jì)算機(jī)還有很長的路要走。

關(guān)鍵詞：量子計(jì)算機(jī)；超導(dǎo)量子計(jì)算；離子阱；量子比特

量子計(jì)算機(jī)（Quantum Computer）是一種運(yùn)行規(guī)律遵循量子力學(xué)，能夠進(jìn)行高速數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算、存儲(chǔ)及處理量子信息的物理裝置。量子計(jì)算機(jī)的概念源于對可逆計(jì)算機(jī)的研究。量子計(jì)算機(jī)的基本運(yùn)行單元是量子比特，能夠同時(shí)處在多個(gè)狀態(tài)，而不像傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)那樣只能處于0或1的二進(jìn)制狀態(tài)，因而具有傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)所無法比擬的強(qiáng)大并行計(jì)算能力。量子計(jì)算機(jī)從概念提出到現(xiàn)在，已經(jīng)有40多年的發(fā)展歷史。該方向的研究經(jīng)歷了幾個(gè)重要的發(fā)展階段，克服了一系列艱巨的理論與實(shí)驗(yàn)障礙，從目前來看，量子計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)已經(jīng)不存在原則上不可逾越的困難。近幾年量子計(jì)算機(jī)的研究更是飛速發(fā)展，日新月異，可解決部分實(shí)際問題的量子計(jì)算機(jī)正初見曙光。

1 量子計(jì)算機(jī)誕生
電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)促使人類社會(huì)得以飛速發(fā)展，特別是摩爾定律支配著計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度每18個(gè)月翻一番，這使得電子芯片的尺寸越來越小但是其功能卻越來越強(qiáng)大，電腦、手機(jī)成為人們無法離開的日常工具。

20世紀(jì)80年代，正當(dāng)計(jì)算機(jī)迅猛發(fā)展之際，物理學(xué)家卻提出“摩爾定律是否會(huì)終結(jié)”這個(gè)不合時(shí)宜的命題，并著手開展研究，最后竟然得出結(jié)論：摩爾定律必定會(huì)終結(jié)。原因是摩爾定律的技術(shù)基礎(chǔ)是不斷提高電子芯片的集成度，即單位芯片面積的晶體管數(shù)目。但這個(gè)技術(shù)受制于兩個(gè)物理因素，一是芯片集成度越高，由于非可逆門操作時(shí)丟失的大量比特所轉(zhuǎn)換的熱量將越嚴(yán)重，最終會(huì)燒穿電子芯片。二是終極的運(yùn)算單元是單電子晶體管，單電子的量子效應(yīng)必然會(huì)影響芯片的正常工作。但當(dāng)時(shí)多數(shù)學(xué)者對物理學(xué)家的這個(gè)結(jié)論不以為然，甚至認(rèn)為物理學(xué)家是杞人憂天。然而物理學(xué)家并未停下腳步，繼續(xù)著手第二個(gè)命題的研究：摩爾定律失效后，如何進(jìn)一步提高處理信息的速度，即什么是后摩爾時(shí)代的新技術(shù)？于是，誕生了“量子計(jì)算機(jī)”的設(shè)計(jì)藍(lán)圖。

1982年美國物理學(xué)家費(fèi)曼（R.Feynman）最早提出“量子模擬”的概念［1］，即采用按量子力學(xué)規(guī)律運(yùn)行的裝置來模擬量子體系的演化。隨后英國物理學(xué)家德意奇（D.Deutsch）提出“量子圖靈機(jī)”的概念［2］，“量子圖靈機(jī)”可等效為量子電路模型。從此“量子計(jì)算機(jī)”的研究便在學(xué)術(shù)界逐漸引起人們的關(guān)注。1994年肖爾（P.W.Shor）提出了量子并行算法［3］，證明量子計(jì)算機(jī)可以求解大數(shù)分解難題，能夠?qū)⒔?jīng)典算法中分解因數(shù)所需時(shí)間隨著整數(shù)長度指數(shù)增長的問題縮減為多項(xiàng)式增長，大大加快大數(shù)因子分解的速度，從而攻破廣泛使用的RSA公鑰密碼體系，量子計(jì)算機(jī)才引起廣泛重視。Shor量子并行算法是量子計(jì)算領(lǐng)域的里程碑工作。1996年，勞埃德（S.Lloyd）給出能夠模擬局域相互作用量子系統(tǒng)演化的通用量子計(jì)算機(jī)算法［4］，使得通用量子計(jì)算機(jī)可能有效模擬量子系統(tǒng)演化以及求解某些量子系統(tǒng)的基態(tài)能量等問題，從而使其未來可能在物理、化學(xué)和材料等學(xué)科的研究中發(fā)揮重要作用。進(jìn)入21世紀(jì)，學(xué)術(shù)界逐漸取得共識(shí)：摩爾定律必定會(huì)終結(jié)，量子計(jì)算是后摩爾時(shí)代最有希望的新技術(shù)。

2 量子計(jì)算機(jī)的基本概念
2.1 量子計(jì)算機(jī)的工作原理
量子計(jì)算應(yīng)用了量子世界的特性，如疊加性、非局域性和不可克隆性等，因此天然地具有并行計(jì)算的能力，可以將某些在電子計(jì)算機(jī)上呈指數(shù)增長復(fù)雜度的問題變?yōu)槎囗?xiàng)式增長復(fù)雜度問題，亦即將電子計(jì)算機(jī)上某些難解的問題在量子計(jì)算機(jī)上變成易解的問題。量子計(jì)算機(jī)為人類社會(huì)提供具有強(qiáng)大無比運(yùn)算能力的新型信息處理工具，因此稱之為未來的顛覆性技術(shù)。做個(gè)形象的類比，量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力與經(jīng)典電子計(jì)算機(jī)相比，大致等同于經(jīng)典電子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力同算盤相比。由此可見，一旦量子計(jì)算得到廣泛應(yīng)用，人類社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域都將會(huì)發(fā)生翻天覆地的變化。

量子計(jì)算的運(yùn)算單元稱為量子比特，它是0和1兩個(gè)狀態(tài)的疊加。量子疊加態(tài)是量子世界獨(dú)有的特征，因此，量子信息的制備、處理和探測等都必須遵從量子力學(xué)的運(yùn)行規(guī)律。量子計(jì)算機(jī)的工作原理示意圖如圖1所示。

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圖1 量子計(jì)算機(jī)的工作原理

量子計(jì)算機(jī)與電子計(jì)算機(jī)一樣，用于解決某種數(shù)學(xué)問題，因此它的輸入數(shù)據(jù)和結(jié)果輸出都是經(jīng)典的數(shù)據(jù)。區(qū)別在于處理數(shù)據(jù)的方法上，兩者具有本質(zhì)的不同。量子計(jì)算機(jī)將經(jīng)典數(shù)據(jù)制備在量子計(jì)算機(jī)整個(gè)系統(tǒng)的初始量子態(tài)上，經(jīng)由一系列幺正操作演化為量子計(jì)算系統(tǒng)的末態(tài)，對末態(tài)實(shí)施量子測量，便輸出運(yùn)算結(jié)果。圖1中虛框內(nèi)都是按照量子力學(xué)規(guī)律運(yùn)行的。圖1中的幺正操作（U操作）是信息處理的核心，如何確定U操作呢？首先選擇適合于待求解問題的量子算法，然后將該算法按照量子編程的原則轉(zhuǎn)換為控制量子芯片中量子比特的指令程序，從而實(shí)現(xiàn)了U操作的功能。量子計(jì)算機(jī)的實(shí)際操作過程如圖2所示。

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圖2 量子計(jì)算機(jī)的實(shí)際操作過程［5］

工作人員在電腦上操作輸入問題和初始數(shù)據(jù)，經(jīng)由量子軟件系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為量子算法，隨之進(jìn)行量子編程，將一系列指令發(fā)送至量子計(jì)算機(jī)的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)對量子芯片系統(tǒng)實(shí)施對應(yīng)的操控，操控結(jié)束后，量子測量的數(shù)據(jù)再反饋給量子控制系統(tǒng)，最終返回到工作人員的電腦上。

量子邏輯電路是用于實(shí)現(xiàn)U變換的操作，任何復(fù)雜的U操作都可以拆解為單量子比特門Ui和雙量子比特門Ujk的某種組合（即可拆解定理），Ui和Ujk是最簡單的普適邏輯門集。典型的單雙比特門如圖3所示［5-7］。

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圖3 單雙量子比特門

基于量子圖靈機(jī)（量子邏輯電路）的量子計(jì)算稱為標(biāo)準(zhǔn)量子計(jì)算，現(xiàn)在還在研究的其他量子計(jì)算模型還有：單向量子計(jì)算、分布式量子計(jì)算、拓?fù)淞孔佑?jì)算和絕熱量子計(jì)算（量子退火算法）等。

量子計(jì)算本質(zhì)性地利用了量子力學(xué)的特性，因此其實(shí)際應(yīng)用的重要障礙是宏觀環(huán)境不可避免地破壞量子相干性［8］（即所謂消相干問題），使量子計(jì)算機(jī)演變成經(jīng)典計(jì)算機(jī)。若不能有效地克服消相干，即使量子芯片（硬件）做成了，量子計(jì)算機(jī)也無法實(shí)際應(yīng)用?！傲孔泳幋a”用于克服環(huán)境的消相干，它增加信息的冗余度，用若干物理量子比特來編碼一個(gè)邏輯比特（信息處理的單元）。也已證明，采用起碼5個(gè)量子比特編碼1個(gè)邏輯比特，可以糾正消相干引起的所有錯(cuò)誤。量子計(jì)算機(jī)實(shí)際應(yīng)用存在另一類嚴(yán)重的錯(cuò)誤，這種錯(cuò)誤來源于非理想的量子操作，包括門操作和編碼的操作。科學(xué)家提出容錯(cuò)編碼原理來糾正這類錯(cuò)誤，該原理指出，在所有量子操作都可能出錯(cuò)的情況下，仍然能夠?qū)⒄麄€(gè)系統(tǒng)糾正回理想的狀態(tài)。這涉及到“容錯(cuò)閾值定理”，即只有量子操作的出錯(cuò)率低于某個(gè)閾值，才能實(shí)現(xiàn)量子容錯(cuò)。容錯(cuò)閾值與量子計(jì)算的實(shí)際構(gòu)型有關(guān)，在一維或準(zhǔn)一維的模型中［5］，容錯(cuò)的閾值為10-5，在二維情況（采用表面碼來編碼比特）中［9］，閾值為10-2。經(jīng)過科學(xué)家十多年的努力，現(xiàn)在離子阱和超導(dǎo)系統(tǒng)的單雙比特操作精度已經(jīng)達(dá)到這個(gè)閾值［10-11］。這個(gè)進(jìn)展極大地刺激了人們對量子計(jì)算機(jī)研制的熱情，量子計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)不再是遙不可及的。量子計(jì)算機(jī)的研制便逐步走出實(shí)驗(yàn)室，成為國際上各大企業(yè)追逐的目標(biāo)。

量子計(jì)算機(jī)研制涉及以下關(guān)鍵技術(shù)部件：（1）核心芯片，包括量子芯片及其制備技術(shù)；（2）量子控制，包括量子功能器件、量子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和量子測控技術(shù)等；（3）量子軟件，包括量子算法、量子開發(fā)環(huán)境和量子操作系統(tǒng)等；（4）量子云服務(wù)，即面向用戶的量子計(jì)算機(jī)云服務(wù)平臺(tái)。

2.2 發(fā)展量子計(jì)算機(jī)的兩大路線
目前量子計(jì)算主要分為固態(tài)器件和光學(xué)路線兩大類路線，谷歌、IBM、英特爾這幾家大公司采用的“固態(tài)器件路線”，霍尼韋爾公司主打離子阱體系，采用的屬于“光學(xué)路線”。下面分別看看這兩大路線各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

目前階段，光學(xué)路線的離子阱體系在操控精度和相干時(shí)間上具有較大的優(yōu)勢，具有較高的制備和讀出量子比特的效率。此外，雖然該體系需要使用真空，但是不需要大型冷卻裝置，因而可以在室溫下運(yùn)行，極大地降低了開發(fā)、運(yùn)行成本，因此離子阱量子計(jì)算機(jī)也是比較有前途的發(fā)展方向之一。但是與超導(dǎo)、半導(dǎo)體等固態(tài)體系相比，離子阱體系的缺點(diǎn)也比較明顯，一是可操控性較差，二是很難與經(jīng)典計(jì)算相兼容。整體來看，目前世界上絕大部分量子計(jì)算機(jī)采用的都是固態(tài)器件的路線，因?yàn)樵诩庸ぶ圃?、與經(jīng)典計(jì)算兼容等方面，固態(tài)器件都具有明顯的優(yōu)勢。而采用離子阱等光學(xué)路線的學(xué)派更多是應(yīng)用在科學(xué)研究上。

超導(dǎo)量子計(jì)算是目前國際上發(fā)展最快最好的一種固態(tài)量子計(jì)算的實(shí)現(xiàn)方法。超導(dǎo)量子電路的能級可以通過外加電磁場進(jìn)行干預(yù)，電路更容易實(shí)現(xiàn)定制化開發(fā)，而且現(xiàn)在的集成電路工藝已經(jīng)十分成熟，超導(dǎo)量子電路的可擴(kuò)展性優(yōu)勢十分明顯。但是，超導(dǎo)量子電路也存在一些問題，由于量子體系的不可封閉性，環(huán)境噪聲、磁通偏置噪聲等大量不受控的因素存在，經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致量子耗散和相干性退化。此外，超導(dǎo)量子體系工作時(shí)對物理環(huán)境要求極為苛刻，比如，超低溫是超導(dǎo)量子計(jì)算實(shí)現(xiàn)過程中不可避免的問題。

硅基半導(dǎo)體量子計(jì)算機(jī)是固態(tài)器件路線的另一個(gè)重要研究方向，這種量子計(jì)算機(jī)最大的優(yōu)勢是容易與現(xiàn)有的半導(dǎo)體加工制備技術(shù)相兼容，一旦克服了某些關(guān)鍵技術(shù)難題，便可在當(dāng)下十分成熟的微電子工藝平臺(tái)上開展大規(guī)模研發(fā)，從而獲得迅速的發(fā)展。因此，盡管目前階段半導(dǎo)體量子芯片的量子比特?cái)?shù)遠(yuǎn)低于超導(dǎo)芯片，但未來其發(fā)展?jié)摿Σ豢傻凸馈Ｄ壳?，不少國際大公司以及國內(nèi)本源量子公司也在從事該方向的研究開發(fā)。

2.3 量子計(jì)算機(jī)的主要參數(shù)［12］
量子體積（Quantum Volume）：一種由IBM公司提出的增長規(guī)律類似于摩爾定律的新指標(biāo)。該指標(biāo)的主要用途就是用來衡量設(shè)計(jì)的量子計(jì)算機(jī)的性能。此外，對一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)而言，其性能好壞又主要受限于這臺(tái)量子計(jì)算機(jī)的量子比特?cái)?shù)、測量誤差、設(shè)備交叉通信、設(shè)備連接、電路軟件編譯效率等因素。因此，量子體積可以理解為這些因素對量子計(jì)算機(jī)性能影響的綜合衡量指標(biāo)，即多種因素綜合考慮后的計(jì)算機(jī)性能指標(biāo)。綜上所述，對于量子計(jì)算機(jī)而言，如果所擁有的量子體積越大，其解決復(fù)雜問題的能力就越強(qiáng)，相應(yīng)的其性能就越好。

限制保真度（Typical Limiting Fidelity）：保真度的概念在量子信息技術(shù)中有著十分重要的地位。由于量子態(tài)在量子計(jì)算、量子密碼中一般充當(dāng)著信息載體的作用，所以為了衡量量子態(tài)前后的差距，保真度成了一個(gè)必不可少的衡量工具。對保真度而言，不管其衡量量子態(tài)的場景是什么，它都是數(shù)值越大越好。而在量子計(jì)算中，科學(xué)家為了更好地描述量子計(jì)算機(jī)，則在一般保真度的基礎(chǔ)上提出了限制保真度的概念。限制保真度的提出，量化了量子計(jì)算機(jī)得到正確答案的概率，進(jìn)一步完善了對量子計(jì)算機(jī)的描述。

相干時(shí)間（Coherence Time）：在量子信息中，一般將量子系統(tǒng)相干性受外界因素影響而逐漸消失的過程稱之為量子退相干，也即量子系統(tǒng)中量子比特疊加狀態(tài)的消失過程，而這個(gè)過程所持續(xù)的時(shí)間則稱之為相干時(shí)間。此外，量子退相干對量子計(jì)算有很大的影響，量子退相干會(huì)使系統(tǒng)的量子行為轉(zhuǎn)變?yōu)榻?jīng)典行為，這個(gè)轉(zhuǎn)變過程可能是由系統(tǒng)噪聲導(dǎo)致的，也可能是由量子比特的測量導(dǎo)致的。但不管什么原因，該過程都不可避免地使包含在量子系統(tǒng)中的一些信息隨著退相干過程而損失掉，進(jìn)而使量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算出現(xiàn)一定程度的偏差。因此，對量子計(jì)算機(jī)而言，其所有的量子操作都必須在量子退相干現(xiàn)象出現(xiàn)之前完成，也只有這樣才能使得量子操作保持在一個(gè)較高的保真度。換言之，如果一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)有著較長的退相干時(shí)間，那么其量子操作的時(shí)間就越多，相應(yīng)的處理效率也就越高。

全連接（Full Connectivity）：顧名思義就是全部連接，不同于經(jīng)典系統(tǒng)中經(jīng)典電子元器件的全部連接，全連接在量子系統(tǒng)中則是指量子系統(tǒng)最小單元的全連接，即量子比特間的全連接。全連接的概念給量子計(jì)算機(jī)連通性的衡量提供了便利。一般的量子系統(tǒng)，只滿足在物理上彼此相鄰的量子比特對之間的直接交互，并不滿足不相鄰量子比特對之間的交互。而對全連接的量子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)而言，它能夠滿足系統(tǒng)中任意量子比特對之間的交互，且不需要借助某個(gè)中間量子比特。這樣的優(yōu)點(diǎn)使得全連接量子計(jì)算機(jī)能夠在有限的退相干時(shí)間內(nèi)執(zhí)行更多的量子操作，從而實(shí)現(xiàn)更具規(guī)模的深層次量子線路，以及更加復(fù)雜的量子算法。

中間線路測量（Mid-circuit Measurement）：測量塌縮理論是量子力學(xué)的一個(gè)基本定律，即測量一個(gè)未知的量子態(tài)會(huì)使該量子態(tài)以一定的概率塌縮到它的某一個(gè)本征態(tài)。這里的中間線路測量即為測量塌縮定律的一個(gè)應(yīng)用場景，不同于以往的量子態(tài)測量，中間線路測量是指在量子計(jì)算機(jī)量子線路的某個(gè)位置選擇性地測量量子比特，且測量位置不局限于量子線路的末端。量子計(jì)算機(jī)的中間線路測量是一項(xiàng)特殊的功能，該功能使得用戶可以知道某位置被成功測量的量子比特是由測量而塌縮得到的經(jīng)典狀態(tài)（0或1），而沒有被測出的量子比特則仍保持其量子狀態(tài)，這樣的特性便于用戶決定后續(xù)量子線路上的量子操作。此外，這里還需注意一點(diǎn)，對于成功測量而獲知其量子信息的量子比特而言，可以通過初始化使其再次整合到量子線路中，從而執(zhí)行其他更多的量子操作。這樣的直接好處就是可以充分利用少量且寶貴的量子比特資源，從而實(shí)現(xiàn)更大的量子系統(tǒng)建模。

高分辨率旋轉(zhuǎn)（High-resolution Rotations）：為盡可能提高量子計(jì)算機(jī)量子線路深度范圍內(nèi)的操作效率，霍尼爾系統(tǒng)模型舍棄以往利用多步復(fù)合操作來產(chǎn)生相同的旋轉(zhuǎn)角度，轉(zhuǎn)而使用激光門來實(shí)現(xiàn)單量子比特門中的旋轉(zhuǎn)。高分辨率旋轉(zhuǎn)方法相比以往產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)角度的方法，不論是在操作復(fù)雜度還是在旋轉(zhuǎn)角度的精確度方面都有了很大的提高。

3 量子計(jì)算機(jī)的研制進(jìn)展
3.1 量子計(jì)算機(jī)的最新成果
目前，量子計(jì)算機(jī)的研制從以科研院校為主體變?yōu)橐云髽I(yè)為主體后，發(fā)展極其迅速。2016年IBM公布全球首個(gè)量子計(jì)算機(jī)在線平臺(tái)，搭載5位量子處理器。量子計(jì)算機(jī)的信息處理能力非常強(qiáng)大，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)到底能在多大程度上逼近量子計(jì)算機(jī)呢？在不是非常大的邏輯深度下，2018年初創(chuàng)公司合肥本源量子計(jì)算科技有限公司推出當(dāng)時(shí)國際最強(qiáng)的64位量子虛擬機(jī)，打破了當(dāng)時(shí)采用經(jīng)典計(jì)算機(jī)模擬量子計(jì)算機(jī)的世界紀(jì)錄。2019年量子計(jì)算機(jī)研制取得重大進(jìn)展：年初IBM推出全球首套商用量子計(jì)算機(jī)，命名為IBMQ SystemOne，這是首臺(tái)可商用的量子處理器［13］，其展示圖如圖4（a）所示。2019年10月，Google在《自然》上發(fā)表了一篇里程碑論文，報(bào)道他們研發(fā)出了如圖4（b）所示的53個(gè)量子比特的超導(dǎo)量子芯片，并用該芯片實(shí)現(xiàn)了一個(gè)量子電路的采樣實(shí)例，且耗時(shí)僅為200 s。而同樣的實(shí)例在當(dāng)今最快的經(jīng)典超級計(jì)算機(jī)上可能需要運(yùn)行大約1萬年。他們宣稱實(shí)現(xiàn)了“量子霸權(quán)”，即信息處理能力超越了任何最快的經(jīng)典處理器［14］。

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圖4 2019年量子計(jì)算機(jī)的研制取得重要進(jìn)展

2020年6月和8月，霍尼韋爾與IBM先后分別宣布實(shí)現(xiàn)了64位量子體積的量子計(jì)算機(jī)［15-16］，如圖5所示。同期，杜克大學(xué)和馬里蘭大學(xué)的研究人員首次設(shè)計(jì)了一個(gè)全連接的32-Qubit離子阱量子計(jì)算機(jī)寄存器，相較于之前公開的霍尼韋爾和IBM最大6-Qubit，該設(shè)計(jì)提高了5倍以上，也是此前公開最多量子比特完全連接的技術(shù)架構(gòu)［17］。

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圖5 2020年IBM、霍尼韋爾分別實(shí)現(xiàn)量子體積為64的量子計(jì)算機(jī)

2020年8月，Google量子研究團(tuán)隊(duì)在量子計(jì)算機(jī)上模擬了迄今最大規(guī)模的化學(xué)反應(yīng)，通過使用量子設(shè)備對分子電子能量進(jìn)行Hartree-Fock計(jì)算，并通過變分量子本征求解來進(jìn)行糾錯(cuò)處理完善其性能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對化學(xué)過程進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算預(yù)測［18］。該團(tuán)隊(duì)涉及的相關(guān)工作如圖6所示。

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圖6 2020年Google在量子計(jì)算機(jī)上模擬化學(xué)反應(yīng)的基礎(chǔ)旋轉(zhuǎn)和編譯電路［18］

總之，量子計(jì)算機(jī)的研制發(fā)展高潮迭起，且已從高校、研究所為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐怨緸橹髁Γ瑥膶?shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)研究邁向企業(yè)的實(shí)用器件研制階段。

3.2 量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展階段
（1）量子計(jì)算機(jī)原型機(jī)。原型機(jī)的比特?cái)?shù)較少，信息功能不強(qiáng)，應(yīng)用有限，但“五臟俱全”，是地地道道的按照量子力學(xué)規(guī)律運(yùn)行的量子處理器。IBM發(fā)布的Q SystemOne、霍尼韋爾與IBM分別實(shí)現(xiàn)的64位量子體積的量子計(jì)算機(jī)，以及谷歌團(tuán)隊(duì)用來模擬化學(xué)反應(yīng)的量子計(jì)算機(jī)均屬于此類原型機(jī)。

（2）量子霸權(quán)。尋找專用級的芯片，用它來解決特定行業(yè)的問題，比如“量子霸權(quán)”。量子比特?cái)?shù)在50～100左右，其運(yùn)算能力超過任何經(jīng)典的電子計(jì)算機(jī)。但未采用“糾錯(cuò)容錯(cuò)”技術(shù)來確保其量子相干性，因此只能處理在其相干時(shí)間內(nèi)能完成的那類問題，故又稱為專用量子計(jì)算機(jī)。這種機(jī)器實(shí)質(zhì)是中等規(guī)模帶噪聲量子計(jì)算機(jī)（Noisy Intermediate-Scale Quantum，NISQ）。應(yīng)當(dāng)指出，“量子霸權(quán)”實(shí)際上是指在某些特定的問題上量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力超越了任何經(jīng)典計(jì)算機(jī)。這些特定問題的計(jì)算復(fù)雜度經(jīng)過嚴(yán)格的數(shù)學(xué)論證，在經(jīng)典計(jì)算機(jī)上是指數(shù)增長或超指數(shù)增長，而在量子計(jì)算機(jī)上是多項(xiàng)式增長，因此體現(xiàn)了量子計(jì)算的優(yōu)越性。目前采用的特定問題是量子隨機(jī)線路的問題或玻色取樣問題。這些問題僅是Toy（玩具）模型，并未發(fā)現(xiàn)它們的實(shí)際應(yīng)用。因此，盡管量子計(jì)算機(jī)已邁進(jìn)到“量子霸權(quán)”階段，但在中等規(guī)模帶噪聲量子計(jì)算（NISQ）時(shí)代面臨的核心問題是探索這種專門機(jī)的實(shí)際用途，并進(jìn)一步體現(xiàn)量子計(jì)算的優(yōu)越性。

（3）通用量子計(jì)算機(jī)。這是量子計(jì)算機(jī)研制的終極目標(biāo)，用來解決任何可解的問題，可在各個(gè)領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。通用量子計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)必須滿足兩個(gè)基本條件，一是量子比特?cái)?shù)要達(dá)到幾萬到幾百萬量級，二是應(yīng)采用“糾錯(cuò)容錯(cuò)”技術(shù)。鑒于人類對量子世界操控能力還相當(dāng)不成熟，因此最終研制成功通用量子計(jì)算機(jī)還有相當(dāng)長的路要走。

4 量子信息技術(shù)時(shí)代何時(shí)到來
4.1 量子計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)難題
目前，國內(nèi)外眾多量子計(jì)算機(jī)研發(fā)團(tuán)隊(duì)在研制量子計(jì)算機(jī)的道路上都取得了一定的進(jìn)展，但是依然沒有實(shí)現(xiàn)通用的量子計(jì)算機(jī)。主要困難在于：（1）量子計(jì)算機(jī)是“人造的宏觀量子系統(tǒng)”，量子比特的不穩(wěn)定性會(huì)導(dǎo)致輸入信息丟失或被置換，從而降低結(jié)果的準(zhǔn)確性，甚至給出不可靠結(jié)果。理論上雖然采用“糾錯(cuò)-容錯(cuò)”技術(shù)，原則上可以糾正這種消相干所導(dǎo)致的運(yùn)算錯(cuò)誤，確保計(jì)算的可靠性，但“糾錯(cuò)-容錯(cuò)”要求對量子比特操作的保真度極其高，在當(dāng)下實(shí)驗(yàn)中難以達(dá)到。（2）要?jiǎng)?chuàng)建有價(jià)值的、規(guī)?；牧孔佑?jì)算機(jī)將需要數(shù)十萬乃至數(shù)百萬個(gè)量子比特，而人類操控量子世界的能力很有限，無法精準(zhǔn)地操控量子器件的量子狀態(tài)及其演化，特別是含有百萬量級量子比特系統(tǒng)，要準(zhǔn)確調(diào)控其中任意量子比特，或者任意兩個(gè)量子比特之間的強(qiáng)耦合，目前的技術(shù)水平還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到。

因此，量子計(jì)算機(jī)雖然是量子力學(xué)理論預(yù)言的產(chǎn)物，原理是正確的，但真正研制成實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)還需要一個(gè)十分艱難的過程，不是“一朝一夕”可實(shí)現(xiàn)的。一旦通用量子計(jì)算機(jī)得到廣泛的實(shí)際應(yīng)用，就可以宣稱，人類社會(huì)已步入到量子技術(shù)時(shí)代。

4.2 未來量子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用舉例
（1）破譯密碼。當(dāng)前廣泛應(yīng)用的基于RSA公開密鑰算法的密碼體系，其安全性來自電子計(jì)算機(jī)難以快速地完成大數(shù)因子分解，即將大數(shù)N分為兩個(gè)素?cái)?shù)q和p相乘N=qp，設(shè)N=129位。1994年全世界1 600臺(tái)工作站采用硬件平行運(yùn)算花了8個(gè)月才完成這個(gè)分解，但若采用Shor量子算法，在2 000位量子計(jì)算機(jī)上只要1 s即可以分解成功。隨著N增大，電子計(jì)算機(jī)所需時(shí)間將指數(shù)上升，而量子計(jì)算機(jī)上則以多項(xiàng)式上升，所以，一旦量子計(jì)算機(jī)研制成功，這種RSA密碼以及現(xiàn)有的所有公開密碼體系都將被攻破。

（2）搜索問題。即從龐大無規(guī)律的數(shù)字庫中找到特定的信息，如從包含有N個(gè)條目的電話號(hào)碼薄中搜索到一個(gè)特定的號(hào)碼，電子計(jì)算機(jī)需要操作N次才能找到，而量子計(jì)算機(jī)只需圖片。看似提速不多，但當(dāng)N非常大時(shí)，效果就非常明顯。設(shè)N=106，電子計(jì)算要操作100萬次，而量子計(jì)算機(jī)只需要1 000次。

（3）新藥開發(fā)。設(shè)想需要設(shè)計(jì)一種能夠識(shí)別并抑制HIV病毒活性的RNA分子，通常先要在計(jì)算機(jī)上模擬，尋找最有效的分子結(jié)構(gòu)。由于分子是由特定原子通過特定化學(xué)鍵聯(lián)結(jié)而成的，原子和化學(xué)鍵遵從量子力學(xué)運(yùn)動(dòng)規(guī)律。在電子計(jì)算機(jī)上模擬隨著原子數(shù)目增加，所需運(yùn)算資源將指數(shù)增長，這很難做到；而采用量子計(jì)算機(jī)模擬則是多項(xiàng)式增長，很容易實(shí)現(xiàn)。

（4）量子機(jī)器學(xué)習(xí)。機(jī)器學(xué)習(xí)已經(jīng)成為當(dāng)今一大熱門技術(shù)，目前在語音轉(zhuǎn)換、人臉識(shí)別、智能城市等眾多領(lǐng)域已建立起成熟的生態(tài)。然而機(jī)器學(xué)習(xí)對算力要求極高，目前部分應(yīng)用已經(jīng)發(fā)展到必須借助大規(guī)模的計(jì)算機(jī)集群才能運(yùn)行的階段。本身具備有超越電子計(jì)算機(jī)能力極限的量子計(jì)算機(jī)將是下一代機(jī)器學(xué)習(xí)的理想平臺(tái)。

（5）量子計(jì)算與經(jīng)典計(jì)算的聯(lián)合。不管是最小計(jì)算單元還是對多變量的計(jì)算處理，量子計(jì)算和經(jīng)典計(jì)算都存在十分顯著的差異。兩種計(jì)算方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，比如量子計(jì)算的最大優(yōu)點(diǎn)是算力強(qiáng)大，其利用量子力學(xué)的基本原理，具有強(qiáng)大的并行數(shù)據(jù)處理能力，可以有效解決經(jīng)典計(jì)算所不能解決的復(fù)雜問題。與之相對，雖然經(jīng)典計(jì)算實(shí)現(xiàn)較為簡單，但是其在一些算力需求較大的問題上就顯得無能為力。綜上，量子計(jì)算與經(jīng)典計(jì)算的相互補(bǔ)足，可以有效解決未來實(shí)際生活中大部分與算力相關(guān)的問題，也正是因?yàn)閮烧叩膮f(xié)同關(guān)系，有關(guān)學(xué)者提出了量子-經(jīng)典聯(lián)合的概念，并期望利用量子-經(jīng)典聯(lián)合的混合方案來解決實(shí)際生活中困難的多變量問題。比如利用混合方案在最短時(shí)間內(nèi)獲取考慮多方面變量因素的最優(yōu)物流路線。此外，因?yàn)檫@種方案相較于完全的量子計(jì)算來說更容易實(shí)現(xiàn)，所以量子計(jì)算在實(shí)際應(yīng)用中迎來突破性進(jìn)展之前，該方案必然是眾多學(xué)者關(guān)注的重點(diǎn)。隨著混合方案研究的不斷深入，也許在未來的某一天能真正意義上地觸及擁有無限算力的量子計(jì)算，并用它來簡化這個(gè)世界的復(fù)雜性。

5 結(jié)束語
從量子計(jì)算機(jī)的概念提出到現(xiàn)在，已有40余年。在相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)，多數(shù)人對于能否研制成功量子計(jì)算機(jī)持嚴(yán)重懷疑的態(tài)度。但當(dāng)科學(xué)家經(jīng)過艱苦努力，在關(guān)鍵的基礎(chǔ)問題上取得重大突破之后，近年來量子計(jì)算機(jī)研究取得了突飛猛進(jìn)的進(jìn)展。雖然距實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算機(jī)還有很長的路要走，但可實(shí)際使用的量子處理器不久將可問世。相信今后量子計(jì)算機(jī)研制成果將不斷涌現(xiàn)。我國在量子計(jì)算機(jī)研制上已經(jīng)明顯落后于美國，迫切需要踏踏實(shí)實(shí)地奮起直追。合肥本源量子計(jì)算科技有限責(zé)任公司研制成功6個(gè)量子比特的在線量子計(jì)算平臺(tái)，提供全球上網(wǎng)使用，雖然這只是達(dá)到IBM公司三、四年前的水平，但畢竟是自主研發(fā)的可實(shí)際演示使用的第一個(gè)量子計(jì)算平臺(tái)。相信隨著我國政府的重視、支持，以及國內(nèi)大量企業(yè)在該領(lǐng)域的關(guān)注與持續(xù)投入，我國的量子計(jì)算機(jī)的研制將會(huì)不斷取得突破，緊追國際前沿水平。

審核編輯：符乾江