為實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算，我們還需要做些什么

（文章來(lái)源：雷鋒網(wǎng)）

如何做一個(gè)量子計(jì)算機(jī)呢？有三個(gè)要求，首先要有量子比特；然后有一個(gè)高保真度的量子操作，所謂的量子操作，可以類比成經(jīng)典計(jì)算機(jī)里面的非門、與非門、或門這些基本的門操作；最后要執(zhí)行算法，就需要足夠多的量子比特進(jìn)行運(yùn)算。

這三個(gè)問(wèn)題看起來(lái)簡(jiǎn)單，但做起來(lái)卻不簡(jiǎn)單。首先，什么材料可以作為量子比特？現(xiàn)在人類已經(jīng)挖掘出非常多的量子計(jì)算載體，包括超冷原子、離子阱、光子、超導(dǎo)量子比特，都可以用來(lái)做量子計(jì)算。這些體系有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，目前還不知道哪一種體系一定能夠最終實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算，但目前發(fā)展比較快的是超導(dǎo)量子比特和離子阱。

超導(dǎo)量子比特最重要的優(yōu)勢(shì)，在于其結(jié)構(gòu)類似于電路，能夠采用傳統(tǒng)的集成電路工藝幫助快速實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量子比特系統(tǒng)制造。

這種技術(shù)近幾年發(fā)展特別快，借用IBM和谷歌的研究，從上面左圖可以看到超導(dǎo)量子比特退相干時(shí)間大概兩到三年就會(huì)翻一倍，現(xiàn)在整個(gè)量子比特的性能也比十年前好很多。在2005年，退相干時(shí)間還是1微秒的級(jí)別，現(xiàn)在量子比特退相干時(shí)間已經(jīng)有幾百微秒。比特?cái)?shù)量增加也非?？臁?/p>

2019年谷歌發(fā)布了具有53個(gè)量子比特的芯片，其實(shí)在2017年的時(shí)候，谷歌已經(jīng)有72個(gè)比特的量子芯片，53對(duì)比72數(shù)量看起來(lái)沒(méi)有增加，其實(shí)復(fù)雜度比以前增加了很多。

某種程度上，53個(gè)量子比特能夠達(dá)到100多個(gè)比特的芯片級(jí)別。除了退相干時(shí)間和量子比特?cái)?shù)量之外，超導(dǎo)量子比特門操作的保真度非常高，在2014年，已經(jīng)達(dá)到了99.4%，谷歌最新的量子芯片保真度會(huì)更高，可能有99.6%，超過(guò)了糾錯(cuò)閾值。回過(guò)頭看，如何造一個(gè)量子計(jì)算機(jī)？首先我們要有量子比特，然后要有高保真度的量子操作，足夠多的量子系統(tǒng)。超導(dǎo)目前已經(jīng)大體能夠滿足這三個(gè)要求，此技術(shù)也達(dá)到了一個(gè)門檻。

量子芯片首先要有量子比特，有了量子比特，然后研究如何控制，隨后是讀取量子比特。在讀取和控制達(dá)到比較高的保真度之后，然后對(duì)量子系統(tǒng)做Quantum error Correction，也就是量子糾錯(cuò)，此操作的主要目的是為了進(jìn)一步提升量子系統(tǒng)操控的精度。

其實(shí)，超過(guò)99%的操控精度，不夠?qū)崿F(xiàn)量子算法的實(shí)際應(yīng)用。但是科學(xué)家非常聰明，既然直接做出高保真度的門不容易，那為什么不使用很多個(gè)量子比特呢？所謂的量子糾錯(cuò)就是借鑒經(jīng)典計(jì)算機(jī)糾錯(cuò)概念，確保最后達(dá)成總的等效的量子操作，可以達(dá)到比較高的保真度。

在這個(gè)基礎(chǔ)上，可以依靠大量的量子比特達(dá)成非常高保真度的量子操作，用更多的量子比特實(shí)現(xiàn)有價(jià)值的量子算法落地，就到了Logical Quantum Processor，也就是邏輯層面的量子處理器。在邏輯層面需要突破的技術(shù)和物理層面的量子處理器一樣，需要控制和讀取，最后才能實(shí)現(xiàn)有價(jià)值的量子算法。

從最終的目標(biāo)來(lái)看，要實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算應(yīng)用的落地，理論上大概需要達(dá)到100萬(wàn)個(gè)量子比特，用這個(gè)數(shù)量做量子糾錯(cuò)之后，會(huì)形成大約有1000多個(gè)邏輯量子比特的規(guī)模，如此規(guī)模足夠落地應(yīng)用。

從數(shù)據(jù)上來(lái)看，單比特門需要達(dá)到99.99%的精度，雙比特門需要達(dá)到99.9%的精度，讀取也需要達(dá)到非常高的保真度。目前雙比特門已經(jīng)可以到99.4%，保真度已經(jīng)非常接近算法落地的目標(biāo)。下一步重要的問(wèn)題在于提高比特?cái)?shù)量的同時(shí)，確保量子比特的門保真度不會(huì)下降，這也是當(dāng)前學(xué)術(shù)界主要研究重點(diǎn)。

技術(shù)角度怎樣解決這兩個(gè)問(wèn)題呢？先從超導(dǎo)量子比特角度，觀察超導(dǎo)電路轉(zhuǎn)化過(guò)程。上圖左邊是一張簡(jiǎn)單的示意圖，線條可以認(rèn)為是超導(dǎo)體的線條，電路的下面有一個(gè)圓環(huán)，圓環(huán)上面有兩個(gè)黃色的小方塊，這兩個(gè)小方塊叫約瑟夫森結(jié)，用它可以組成超導(dǎo)量子干涉器，叫SQUID。

讀取就是上圖黃色標(biāo)記（Re-out），可以認(rèn)為通過(guò)一根輸入線和一根輸出線，就可以讀取量子比特的狀態(tài)。單個(gè)比特很容易畫電路結(jié)構(gòu)，但如果有一排，只能借鑒印刷電路的結(jié)構(gòu)，通過(guò)設(shè)計(jì)一排的量子比特來(lái)進(jìn)行量子計(jì)算的各個(gè)研究。

顯然一排的結(jié)構(gòu)不太適用于實(shí)際的應(yīng)用需求，還需要二維的陣列結(jié)構(gòu)，但是二維的陣列結(jié)構(gòu)中量子比特的控制線以及讀取很難實(shí)現(xiàn)。這也是量子比特的數(shù)量提升會(huì)遇到瓶頸的原因。解決這個(gè)問(wèn)題的基本思路是增加維度實(shí)現(xiàn)布線的可能性。2014年，谷歌已經(jīng)有了這個(gè)想法，通過(guò)借鑒傳統(tǒng)的半導(dǎo)體工藝（Flip-Chip的工藝，倒裝焊）把兩個(gè)芯片對(duì)接扣到一起，從而實(shí)現(xiàn)布線。上圖右上角是谷歌的Sycamore處理器，它是由兩個(gè)芯片貼合而成，上面的芯片就是比特，下面芯片就是布線。

谷歌通過(guò)這種方式實(shí)現(xiàn)了二維比特陣列的控制和讀取。此概念可以再進(jìn)一步發(fā)展，不僅局限于兩個(gè)芯片，可以把很多層的芯片貼合到一起，這就是多層堆疊技術(shù)，麻省理工Lincoln Lab也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)技術(shù)。所以，在這樣的技術(shù)突破基礎(chǔ)上，布線可能就不會(huì)成為阻礙比特?cái)?shù)擴(kuò)張的攔路虎。

另一個(gè)問(wèn)題是如何提升比特門的操作精度。目前，比特門的操作精度受限于退相干時(shí)間，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，這個(gè)問(wèn)題已經(jīng)轉(zhuǎn)換成如何在提升比特?cái)?shù)量的同時(shí)，還能夠提升量子比特的相干時(shí)間。

根據(jù)研究，可以認(rèn)為超導(dǎo)量子比特的退相干主要是受TLS影響，TLS就是兩級(jí)系統(tǒng)(Two level System)，超導(dǎo)量子芯片的襯底和表面可能有一些缺陷雜質(zhì)，能形成亞穩(wěn)態(tài)或者半能級(jí)系統(tǒng)，會(huì)干擾超導(dǎo)量子比特的運(yùn)行。提升超導(dǎo)量子比特的退相干需要把缺陷雜質(zhì)去除，把超導(dǎo)量子芯片電路做得越干凈，退相干性能就會(huì)變得越好。

所以，從根源上來(lái)說(shuō)，需要從材料和工藝兩個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)，從超導(dǎo)量子計(jì)算的發(fā)展來(lái)看，業(yè)界對(duì)材料做了非常多的創(chuàng)新和改進(jìn)，兩到三年的時(shí)間增加了一倍的退相干時(shí)間。在超導(dǎo)量子比特剛剛出現(xiàn)時(shí)候，都沒(méi)意識(shí)到材料問(wèn)題。因?yàn)槌瑢?dǎo)量子比特出現(xiàn)非常晚，到目前為止，也就只有21年的歷史。今年是超導(dǎo)量子比特發(fā)現(xiàn)的第21年，它的退相干性能從小于一微秒，迅速提升到兩三百微秒，靠的就是材料和工藝的更新。

早期的量子比特用的都是非常傳統(tǒng)的材料，半導(dǎo)體經(jīng)常用到的材料也是量子比特的選擇，但是退相干性能比較差，小于一微秒。基于這個(gè)原因，研究人員當(dāng)時(shí)對(duì)超導(dǎo)量子計(jì)算并不寄予厚望。所以，當(dāng)時(shí)的想法是用來(lái)做基本的研究，研究量子力學(xué)的基本問(wèn)題，如果拿它來(lái)做量子計(jì)算還是存在差距。2007年，研究人員換了一種電容結(jié)構(gòu)。谷歌提出了很多工藝的革新，包括設(shè)計(jì)上也做了一些更新。退相干時(shí)間迅速提升到百微秒的級(jí)別。

在今年，也有科學(xué)家發(fā)明了新的材料，比如鉭這種金屬可能把比特的退相干時(shí)間進(jìn)一步提升到幾百微秒的量級(jí)。這對(duì)研究人員非常鼓舞，超導(dǎo)量子計(jì)算的發(fā)展時(shí)間雖然短，但是21年的發(fā)展期間，一直保持著非?？斓倪M(jìn)步速度。目前新工藝、新材料也沒(méi)有達(dá)到瓶頸，比如可以用超高真空的封裝讓電路的表面更加干凈。

對(duì)于超導(dǎo)量子比特退相干時(shí)間的提升，研究人員比較樂(lè)觀，預(yù)期提升到毫秒的級(jí)別毫無(wú)問(wèn)題。毫秒是什么樣的概念呢？意味著一個(gè)量子比特，單比特可以達(dá)到5個(gè)9（99.999%）的保真度，雙比特有可能可以達(dá)到4個(gè)9（99.99%）的保真度。根據(jù)目前已知的量子算法，真正產(chǎn)生實(shí)際應(yīng)用價(jià)值還需要100萬(wàn)個(gè)比特的規(guī)模，100萬(wàn)個(gè)比特太過(guò)遙遠(yuǎn)，至少十年才能實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，寄望于十年的技術(shù)突破，對(duì)行業(yè)發(fā)展非常不利。

于是研究人員考慮：100到1000個(gè)規(guī)模的量子芯片，能不能實(shí)現(xiàn)有價(jià)值的應(yīng)用呢？上圖藍(lán)色2區(qū)域，在谷歌確定量子霸權(quán)的時(shí)候已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，從2走到3可能是谷歌下一步要走的路。在2和3之間，谷歌定義為近期應(yīng)用，主要目的就是在2和3的中間，嘗試去找有價(jià)值的應(yīng)用。

人們經(jīng)常用上圖來(lái)對(duì)量子計(jì)算與經(jīng)典計(jì)算做比較，谷歌有時(shí)候也會(huì)炒概念，比如量子計(jì)算機(jī)挑戰(zhàn)傳統(tǒng)的超級(jí)計(jì)算機(jī)。目前來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)的超級(jí)計(jì)算機(jī)功能非常強(qiáng)大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于我們目前所擁有的量子計(jì)算機(jī)的能力。從對(duì)抗的角度來(lái)看，量子計(jì)算機(jī)在十年之內(nèi)可能毫無(wú)希望。如果換一個(gè)角度考慮，量子計(jì)算的目的不是挑戰(zhàn)經(jīng)典計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì)，而是協(xié)同。能否突破以前單純靠經(jīng)典計(jì)算機(jī)的困境，才是真正應(yīng)該思考的方向。
（責(zé)任編輯：fqj）