量子計(jì)算對(duì)未來至關(guān)重要，但實(shí)現(xiàn)起來會(huì)有多難？

近年來，量子信息學(xué)發(fā)展迅速，因其強(qiáng)大的能力、廣泛的應(yīng)用前景而被視為“決定未來的技術(shù)”。它涵蓋量子計(jì)算、量子通信、量子傳感等領(lǐng)域，由此量子技術(shù)成為了當(dāng)下世界各國新興技術(shù)競爭的焦點(diǎn)。

10月7日，美國國家量子協(xié)調(diào)辦公室發(fā)布《量子前沿》（Quantum Frontiers）報(bào)告，列出了八項(xiàng)重點(diǎn)聚焦的前沿方向：擴(kuò)大量子技術(shù)造福社會(huì)的能力；建立量子工程學(xué)科；瞄準(zhǔn)服務(wù)于量子技術(shù)的材料科學(xué)；通過量子模擬探索量子力學(xué)；利用量子信息技術(shù)進(jìn)行精密測量；用于新應(yīng)用的量子糾纏的產(chǎn)生和分發(fā)；表征和減少量子體系的錯(cuò)誤率，邁向容錯(cuò)量子計(jì)算；通過量子信息理解宇宙。加拿大國家研究委員會(huì)指出，到2040年，量子技術(shù)將產(chǎn)生規(guī)模1424億美元的產(chǎn)業(yè)，并提供大量就業(yè)機(jī)會(huì)和政府財(cái)政。10月6日，加拿大成立量子工業(yè)聯(lián)盟（Quantum Industry Canada），旨在確保加拿大的量子創(chuàng)新和科研成就能夠轉(zhuǎn)化為加拿大的商業(yè)成功和經(jīng)濟(jì)繁榮。

人們對(duì)計(jì)算能力的需求日益增長，傳統(tǒng)計(jì)算模式面臨巨大挑戰(zhàn)，而量子計(jì)算因其遠(yuǎn)超經(jīng)典計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力而受到很大重視。關(guān)于量子計(jì)算進(jìn)展的新聞也時(shí)常吸引讀者的注意，例如近期的進(jìn)展新聞：霍尼韋爾公司和IonQ公司接連發(fā)布量子體積更大的量子計(jì)算機(jī)，號(hào)稱推出“世界最強(qiáng)的量子計(jì)算機(jī)”；SQC公司提出可以實(shí)現(xiàn)硅原子雙量子比特99.99%的超高保真度。

那么，量子計(jì)算的精髓到底是什么？除量子比特?cái)?shù)目之外，還有哪些性能對(duì)量子計(jì)算至關(guān)重要？建造實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)為什么如此困難？“潘之隊(duì)”超導(dǎo)量子計(jì)算負(fù)責(zé)人朱曉波教授為大家解惑。

本文整理自墨子沙龍“未來趨勢(shì)：量子互聯(lián)網(wǎng)”活動(dòng)朱曉波教授的報(bào)告。

大家好，非常高興與大家分享量子計(jì)算的知識(shí)。因?yàn)樵谧挠性S多的高中生、初中生，甚至小學(xué)生，所以，我將花更多的篇幅介紹量子計(jì)算的相關(guān)背景知識(shí)，希望通過我的報(bào)告，讓大家更多的了解什么是量子計(jì)算，以及現(xiàn)在的量子計(jì)算前沿走到了哪一步。

經(jīng)典力學(xué)

首先我們來回顧一下經(jīng)典力學(xué)的內(nèi)容。初中生或高中生，只要有過一定物理基礎(chǔ)的人都學(xué)過牛頓力學(xué)，也就是經(jīng)典力學(xué)。牛頓力學(xué)是一項(xiàng)偉大的發(fā)現(xiàn)，之后人類開始可以精確描述我們的世界，物體的運(yùn)動(dòng)可以被預(yù)測。比如，我們可以通過牛頓力學(xué)描述月球圍繞地球的運(yùn)動(dòng)，以及地球圍繞太陽的運(yùn)動(dòng)，并預(yù)測月食、日食等。人們僅僅通過牛頓力學(xué)公式和萬有引力公式這樣兩個(gè)簡單的公式，就可以把我們?nèi)粘Ｓ^測到的世界描述清楚了。于是，到了上個(gè)世紀(jì)初，人們開始覺得物理學(xué)已經(jīng)趨于完美了，物理學(xué)家就要失業(yè)了，已經(jīng)沒有更多新的東西需要物理學(xué)家們?nèi)ヌ剿髁恕?/p>

不過在物理學(xué)的上空，還飄著“兩朵烏云”，這“兩朵烏云”是牛頓力學(xué)或者說經(jīng)典力學(xué)所解決不了的。后來大家知道，這“兩朵烏云”，一朵導(dǎo)致了量子力學(xué)的誕生，一朵導(dǎo)致了相對(duì)論的誕生。愛因斯坦是天才，他提出了同樣天才的相對(duì)論，而量子力學(xué)更加深?yuàn)W難懂，它幾乎聚集了上世紀(jì)人類所有偉大的物理學(xué)家們的智慧。如果你缺乏相關(guān)的數(shù)學(xué)知識(shí)與背景，很難依據(jù)日常世界經(jīng)驗(yàn)去真正的理解“什么是量子力學(xué)”。但是如果我們從微觀世界的物理現(xiàn)象出發(fā)，會(huì)發(fā)現(xiàn)它并沒有那么難。量子力學(xué)的特點(diǎn)即是認(rèn)為：微觀世界是量子化的，不連續(xù)的，擁有不可分的最小單元，比如光子。

量子力學(xué)

舉一個(gè)簡單的例子。大家都知道，物體是由分子、原子構(gòu)成的，原子可以分為原子核與核外電子，電子圍繞著原子核轉(zhuǎn)動(dòng)。那么，我們思考一個(gè)問題，電子是如何圍繞原子核轉(zhuǎn)動(dòng)的呢？它是像地球繞著太陽那樣轉(zhuǎn)嗎？答案是否定的，如圖所示，核外電子圍繞原子核轉(zhuǎn)動(dòng)具有分立的固定能級(jí)，它只能在某些分立的特定能級(jí)上運(yùn)動(dòng)，這些都是物理觀測結(jié)果。

數(shù)學(xué)與物理學(xué)是相反的，數(shù)學(xué)更專注于邏輯，它通過假定幾條公理，可以推到出一系列的數(shù)學(xué)結(jié)果。但是物理學(xué)不一樣，物理學(xué)更尊重物理事實(shí)，即觀測結(jié)果，我們不能因?yàn)橛^測結(jié)果與理論不符，就否定觀測結(jié)果。當(dāng)物理學(xué)家們觀測到微觀世界的原子行為與描述宏觀世界的經(jīng)典力學(xué)不符時(shí)，物理學(xué)家們也非?？鄲溃麄儾恢酪靡粋€(gè)什么樣的理論去描述這樣一種新的物理現(xiàn)象。實(shí)際上，上世紀(jì)初量子力學(xué)的建立花費(fèi)了很長的時(shí)間，因?yàn)槲⒂^世界的許多現(xiàn)象與宏觀世界很不一樣。

通過許許多多物理學(xué)家們共同的努力，最終量子力學(xué)體系得以建立起來。在量子力學(xué)體系里，“軌道”不再是我們平時(shí)所理解的軌道，它不像地球圍繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道那樣是連續(xù)的。在量子力學(xué)體系里，“軌道”是分立的，它們代表不連續(xù)的能級(jí)。

量子力學(xué)并不是一個(gè)完美而漂亮的理論，但它是一個(gè)非常實(shí)用的理論。但凡需要描述微觀世界粒子的運(yùn)動(dòng)，比如原子、分子等，就必須用到量子力學(xué)。比如晶體管、激光、高溫超導(dǎo)、巨磁阻等等，如果沒有量子力學(xué)，這些應(yīng)用領(lǐng)域都不會(huì)存在，因?yàn)橹挥欣昧孔恿W(xué)才能描述其物理規(guī)律。我們把用量子力學(xué)來描述、理解我們周邊世界并以此發(fā)明相關(guān)應(yīng)用的階段稱為“Top-down”。量子力學(xué)是對(duì)我們現(xiàn)代社會(huì)影響深遠(yuǎn)的一門科學(xué)。

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)代科技的發(fā)展已經(jīng)超出了人們的想象?，F(xiàn)代量子科學(xué)技術(shù)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)單量子操作。我們把對(duì)單個(gè)量子的狀態(tài)進(jìn)行人工制備，對(duì)多個(gè)量子間相互作用進(jìn)行主動(dòng)調(diào)控稱為“Bottom-up”。人工制備與操控單量子，是一個(gè)極具挑戰(zhàn)的科學(xué)前沿。在此基礎(chǔ)上發(fā)展出了幾個(gè)重要的領(lǐng)域：首先是量子保密通信，量子保密通信通過對(duì)單個(gè)光子的操控來實(shí)現(xiàn)安全通信；第二個(gè)就是計(jì)算能力的飛躍，即我們今天要講的主要內(nèi)容——量子計(jì)算與量子模擬，其因遠(yuǎn)超經(jīng)典計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力而受到很大重視；第三個(gè)，超越經(jīng)典極限的精密測量，單光子成像就是其中一種，對(duì)于一個(gè)像素它只需要一個(gè)光子，而傳統(tǒng)成像則需要109個(gè)。

計(jì)算機(jī)的發(fā)展

在過去，計(jì)算機(jī)并沒有像我們現(xiàn)在這么便捷與強(qiáng)大。在計(jì)算機(jī)誕生非常早的時(shí)代，為了計(jì)算一個(gè)數(shù)學(xué)問題，需要先將編寫的程序用紙條打好孔，然后輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)處理好之后再打印出來。無論計(jì)算能力，還是操作流程，與現(xiàn)在計(jì)算機(jī)都不可同日而語。但是后來，隨著集成電路的發(fā)展，計(jì)算機(jī)開始改變?nèi)祟惪萍嫉陌l(fā)展。

可是，人類對(duì)于計(jì)算能力的需求，實(shí)際上是無止境的。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，我們對(duì)計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的需求不是減少，而是增加的。人們對(duì)于數(shù)據(jù)處理的需求在急劇上升，甚至于上升的速度遠(yuǎn)超過現(xiàn)在計(jì)算能力提升的速度。

這里面涉及一個(gè)很重要的問題，就是我們現(xiàn)在的半導(dǎo)體工藝。大家都知道摩爾定律，即集成電路芯片上所集成的電路的數(shù)目每隔18個(gè)月就翻一番，也即是微處理器的性能每隔18個(gè)月提高一倍，而價(jià)格卻下降一半。但是，隨著技術(shù)的發(fā)展，集成電路的數(shù)目已經(jīng)要接近其量子極限了。

另外一個(gè)限制計(jì)算機(jī)性能發(fā)展的因素是能耗?，F(xiàn)代的計(jì)算機(jī)，特別是超級(jí)計(jì)算機(jī)，能耗問題是一個(gè)更突出的問題。我們可以堆疊更多的CPU，可以擁有更強(qiáng)大的計(jì)算能力，但是能耗太大，仍然是不現(xiàn)實(shí)的。

基于以上現(xiàn)代計(jì)算機(jī)發(fā)展的限制，人們開始設(shè)想有沒有新的計(jì)算模式，可以替代現(xiàn)在主流的半導(dǎo)體計(jì)算機(jī)模式。量子計(jì)算就是現(xiàn)在看起來最有前景的解決方案。

量子計(jì)算

那么，量子計(jì)算到底能夠在多大程度上取代經(jīng)典計(jì)算機(jī)呢？實(shí)際上，這是一個(gè)非常前沿的問題。現(xiàn)在的普遍認(rèn)識(shí)是：量子計(jì)算機(jī)不可能完全取代經(jīng)典計(jì)算機(jī)，而只能在某些有特定難度的問題上取代經(jīng)典計(jì)算機(jī)。所以我們也不能把量子計(jì)算機(jī)神話，認(rèn)為其是未來的全部解決方案。

我們首先通過一個(gè)比較通俗的例子來介紹量子計(jì)算機(jī)的原理，希望大家可以通過這個(gè)例子理解量子計(jì)算的本質(zhì)。

量子系統(tǒng)與經(jīng)典系統(tǒng)有本質(zhì)區(qū)別。在經(jīng)典計(jì)算機(jī)中，經(jīng)典比特（我們通常就簡稱為比特），就是0和1，但在量子計(jì)算中，由于量子系統(tǒng)的特殊性，量子比特不再是一個(gè)簡單的0和1，它是一個(gè)展開的二維空間。1個(gè)比特就展開一個(gè)二維的空間；如果是2個(gè)比特，則展開一個(gè)四維的空間；3個(gè)比特則是八維的空間。如果有N個(gè)比特，展開的空間就是2N維度。這是一件非?？膳碌氖虑?，如果有300個(gè)比特的話，展開空間的維數(shù)就比宇宙的原子數(shù)目還要多了。

具備了這種指數(shù)加速能力，那么在某些問題上面，量子計(jì)算能力的提升將是可怕的。我們畫一個(gè)簡單的圖，希望能夠給出一個(gè)直觀的解釋。一根線，我們叫做一維，而一個(gè)面是二維的，一個(gè)立方體是三維的。大家沒有辦法想象四維是什么樣子，但在線性代數(shù)中，其實(shí)我們很容易就會(huì)知道一個(gè)高維空間到底是什么。

舉一個(gè)最簡單的例子，如果你是一個(gè)二維生物，位于一個(gè)立方體上，要從一個(gè)點(diǎn)到另一個(gè)點(diǎn)，那么你只能沿著一個(gè)面走，你必須要繞一圈，沒有其他辦法。但是如果你是一個(gè)三維生物，可以走三維路徑的話，就可以走直線過去。這只是一個(gè)三維的例子，但實(shí)際上量子計(jì)算就是利用這樣一個(gè)原理：把計(jì)算的初態(tài)放到一個(gè)高維空間里，通過一系列運(yùn)算，計(jì)算出最后需要到達(dá)的位置，最后再測量這個(gè)位置。這就是最基本的量子計(jì)算解釋。

我們通過這樣的方式，實(shí)現(xiàn)高速求解?，F(xiàn)在用的最多的RSA密碼，用的就是指數(shù)的加速效應(yīng)，這也是現(xiàn)在量子計(jì)算最有用的一個(gè)例子。當(dāng)然像這樣的例子大家還在不停地探索，邊界到底在哪里，需要大家一直不停地追求。

一個(gè)物理學(xué)家，如果他研究的體系能夠構(gòu)成量子比特，也就是能夠構(gòu)成量子二能級(jí)系統(tǒng)，那么他們往往就會(huì)宣稱他們?cè)谧隽孔佑?jì)算。當(dāng)然，這是一件非常困難的事情。能夠構(gòu)成量子比特的系統(tǒng)有很多種，比如光子、超導(dǎo)、半導(dǎo)體、離子阱等等?，F(xiàn)在最受追捧的就是超導(dǎo)量子計(jì)算，比如谷歌、IBM、騰訊、阿里等都在開展這方面的工作。接下來，我將對(duì)超導(dǎo)量子計(jì)算方向著重介紹。

量子計(jì)算到底有多難？

總結(jié)起來，要實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算，我們一方面希望操作一個(gè)單量子，即一個(gè)量子二能級(jí)系統(tǒng)，另一方面，量子計(jì)算的計(jì)算能力取決于量子比特?cái)?shù)，我們需要把N個(gè)量子比特耦合起來，來構(gòu)成一個(gè)復(fù)雜的量子計(jì)算系統(tǒng)。所以，我們一方面希望它是一個(gè)純凈的單量子系統(tǒng)，另一方面又希望多個(gè)量子結(jié)合在一起，可以相互耦合起來。這本身就是矛盾的。

我們來舉一個(gè)例子，比如光子，每個(gè)光子都具有非常好的量子性能，但是如果你想做量子計(jì)算，就要把很多光子結(jié)合起來，對(duì)于光子體系，這就非常困難。而超導(dǎo)系統(tǒng)有很好的可擴(kuò)展性，但是要把每一個(gè)量子都做得很好卻非常難。所以在這種內(nèi)在的矛盾里，一定要發(fā)展一個(gè)系統(tǒng)，首先它有很好的量子特性，其次你又能把它擴(kuò)展開來。這個(gè)才是走向量子計(jì)算的一條康莊大道，唯有如此，我們才能真正把量子計(jì)算做成功。

超導(dǎo)量子計(jì)算

超導(dǎo)量子計(jì)算是現(xiàn)在最受追捧的方向之一。超導(dǎo)是半導(dǎo)體、絕緣體、金屬之外最重要的一個(gè)物態(tài)，其最主要的一個(gè)特點(diǎn)就是原則上沒有能量損失。

那么通過超導(dǎo)，如何來實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算呢？首先，我來問大家一個(gè)問題，通常我們所說的量子系統(tǒng)都是微觀系統(tǒng)，那么對(duì)于一個(gè)宏觀系統(tǒng)，如果我們可以將它的噪聲或者外部擾動(dòng)降低到能與一個(gè)單原子或者單分子的微觀系統(tǒng)的擾動(dòng)相當(dāng)?shù)臅r(shí)候，這個(gè)系統(tǒng)會(huì)不會(huì)服從量子力學(xué)規(guī)律呢？答案是肯定的，如果我們能夠構(gòu)造這么一個(gè)宏觀系統(tǒng)，它就可以擁有量子特性。

在上世紀(jì)八九十年代，物理學(xué)家們做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，他們將一個(gè)比單原子大一萬倍的超導(dǎo)電路的噪聲降低到極低的水平，然后去測量其物理特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這個(gè)極低噪聲系統(tǒng)的確具有量子特性。這個(gè)實(shí)驗(yàn)告訴我們，量子力學(xué)是普適的，不管對(duì)于宏觀系統(tǒng)，還是微觀系統(tǒng)，只是對(duì)于宏觀系統(tǒng)，量子效應(yīng)往往被噪聲淹沒。

宏觀量子效應(yīng)具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，就是其可擴(kuò)展性非常好，與半導(dǎo)體中的PN結(jié)相似，在超導(dǎo)體中，有一個(gè)約瑟夫森結(jié)，通過約瑟夫森結(jié)組成與半導(dǎo)體電路相似的電子電路，，并把外部環(huán)境的噪聲降低到低于單量子擾動(dòng)，我們就可以得到一個(gè)一個(gè)的量子比特。當(dāng)然，這是一個(gè)非常有挑戰(zhàn)性的工作。

可見，超導(dǎo)量子處理器工藝與半導(dǎo)體芯片工藝非常相似，就是平面印刷工藝——通過印刷電感、電容和約瑟夫森結(jié)來構(gòu)造量子比特。那么這項(xiàng)技術(shù)的難點(diǎn)在哪里呢？就在于怎么控制每一個(gè)量子比特不受到擾動(dòng)。這也是它最難的地方。

我們平時(shí)看到的許多宣傳，比如IBM宣稱研制出50量子比特的原型機(jī)，DWave宣稱他們已經(jīng)做出了幾千量子比特的量子計(jì)算機(jī)，這些宣傳他們只告訴了你故事的一個(gè)方面，就是比特?cái)?shù)，而比特?cái)?shù)恰恰才是超導(dǎo)量子計(jì)算領(lǐng)域最容易實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。因?yàn)槠浔举|(zhì)還是半導(dǎo)體工藝，通過半導(dǎo)體印刷晶體管，可以輕松實(shí)現(xiàn)幾百、幾千的比特?cái)?shù)，如果你想，更多的比特?cái)?shù)也沒有問題。但是，這是無用的，如果沒有對(duì)每個(gè)量子比特的精確操控，比特?cái)?shù)都是徒勞。目前階段，我們認(rèn)為，一個(gè)堅(jiān)實(shí)的進(jìn)步是去年谷歌公司的量子優(yōu)越性展示，他們大概做到了50個(gè)量子比特，每個(gè)量子比特的操控精度達(dá)到99.5%。這是量子計(jì)算目前的前沿水平。

量子計(jì)算處理器是一個(gè)對(duì)單量子態(tài)進(jìn)行超高精度模擬的處理器，它要求必須達(dá)到百分之九十九點(diǎn)幾這樣高精度的控制。所以量子計(jì)算處理器幾乎把我們用到的各種技術(shù)都推到了一個(gè)極致。

量子計(jì)算的核心就是量子處理器，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)其高精度控制，需要把它放置在一個(gè)極低溫環(huán)境中，這是因?yàn)樵诹孔宇I(lǐng)域，溫度也是噪聲的一種，只有將環(huán)境溫度降低到絕對(duì)零度附近，才可以降低溫度所導(dǎo)致的系統(tǒng)擾動(dòng)。去除干擾后，對(duì)處理器發(fā)送脈沖，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)量子比特的精確操控。這就是現(xiàn)代超導(dǎo)量子計(jì)算體系的工作機(jī)理。所以，從這個(gè)角度看，量子計(jì)算機(jī)要取代經(jīng)典計(jì)算機(jī)還有很長的路要走，因?yàn)槿藗儾豢赡苊刻炜钢粋€(gè)制冷機(jī)到處跑。我們預(yù)測，將來的量子計(jì)算系統(tǒng)會(huì)以服務(wù)器的模式出現(xiàn)在大家面前。

那么量子計(jì)算機(jī)究竟可以做什么呢？我們前面提到，去年谷歌公司已經(jīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)53個(gè)量子比特的99.4%保真度的操控，這樣的一個(gè)量子計(jì)算機(jī)可以做什么呢？目前，科學(xué)家們讓它應(yīng)用在了“量子隨機(jī)線路采樣”這個(gè)問題上，并且證實(shí)它的求解速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過經(jīng)典計(jì)算機(jī)。但是遺憾的是，這個(gè)問題沒有任何實(shí)際應(yīng)用，它只是用來演示量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算性能。下一步，科學(xué)家們希望可以找到一些實(shí)際應(yīng)用問題，實(shí)現(xiàn)在該問題上超過經(jīng)典計(jì)算機(jī)的性能。

我們最終希望可以通過“通用容錯(cuò)量子計(jì)算”來實(shí)現(xiàn)比如解密算法等等的實(shí)際應(yīng)用。通用容錯(cuò)量子計(jì)算的核心為量子糾錯(cuò)，即要把錯(cuò)誤糾正，讓所有的量子比特都能正確運(yùn)作起來。這是一項(xiàng)宏偉的計(jì)劃，我們團(tuán)隊(duì)希望今年可以實(shí)現(xiàn)60比特，99.5%保真度，這實(shí)際上就是與谷歌保持同一水平。我們希望今年也可以在同一問題上實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性。在未來五年希望做到1000個(gè)量子比特，這樣就能夠找到一些比經(jīng)典計(jì)算更快求解的實(shí)際應(yīng)用。其實(shí)谷歌也提出了同樣的目標(biāo)，當(dāng)然，這是一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的目標(biāo)。

一個(gè)真正的通用容錯(cuò)的量子計(jì)算機(jī)需要100萬個(gè)量子比特，精度要求為99.8%。當(dāng)然這個(gè)難度相當(dāng)大。我們希望與谷歌正面競爭，和他們一樣，提出在未來10年做到100萬量子比特。

責(zé)任編輯：PSY近年來，量子信息學(xué)發(fā)展迅速，因其強(qiáng)大的能力、廣泛的應(yīng)用前景而被視為“決定未來的技術(shù)”。它涵蓋量子計(jì)算、量子通信、量子傳感等領(lǐng)域，由此量子技術(shù)成為了當(dāng)下世界各國新興技術(shù)競爭的焦點(diǎn)。

10月7日，美國國家量子協(xié)調(diào)辦公室發(fā)布《量子前沿》（Quantum Frontiers）報(bào)告，列出了八項(xiàng)重點(diǎn)聚焦的前沿方向：擴(kuò)大量子技術(shù)造福社會(huì)的能力；建立量子工程學(xué)科；瞄準(zhǔn)服務(wù)于量子技術(shù)的材料科學(xué)；通過量子模擬探索量子力學(xué)；利用量子信息技術(shù)進(jìn)行精密測量；用于新應(yīng)用的量子糾纏的產(chǎn)生和分發(fā)；表征和減少量子體系的錯(cuò)誤率，邁向容錯(cuò)量子計(jì)算；通過量子信息理解宇宙。加拿大國家研究委員會(huì)指出，到2040年，量子技術(shù)將產(chǎn)生規(guī)模1424億美元的產(chǎn)業(yè)，并提供大量就業(yè)機(jī)會(huì)和政府財(cái)政。10月6日，加拿大成立量子工業(yè)聯(lián)盟（Quantum Industry Canada），旨在確保加拿大的量子創(chuàng)新和科研成就能夠轉(zhuǎn)化為加拿大的商業(yè)成功和經(jīng)濟(jì)繁榮。

人們對(duì)計(jì)算能力的需求日益增長，傳統(tǒng)計(jì)算模式面臨巨大挑戰(zhàn)，而量子計(jì)算因其遠(yuǎn)超經(jīng)典計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力而受到很大重視。關(guān)于量子計(jì)算進(jìn)展的新聞也時(shí)常吸引讀者的注意，例如近期的進(jìn)展新聞：霍尼韋爾公司和IonQ公司接連發(fā)布量子體積更大的量子計(jì)算機(jī)，號(hào)稱推出“世界最強(qiáng)的量子計(jì)算機(jī)”；SQC公司提出可以實(shí)現(xiàn)硅原子雙量子比特99.99%的超高保真度。

那么，量子計(jì)算的精髓到底是什么？除量子比特?cái)?shù)目之外，還有哪些性能對(duì)量子計(jì)算至關(guān)重要？建造實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)為什么如此困難？“潘之隊(duì)”超導(dǎo)量子計(jì)算負(fù)責(zé)人朱曉波教授為大家解惑。

本文整理自墨子沙龍“未來趨勢(shì)：量子互聯(lián)網(wǎng)”活動(dòng)朱曉波教授的報(bào)告。

大家好，非常高興與大家分享量子計(jì)算的知識(shí)。因?yàn)樵谧挠性S多的高中生、初中生，甚至小學(xué)生，所以，我將花更多的篇幅介紹量子計(jì)算的相關(guān)背景知識(shí)，希望通過我的報(bào)告，讓大家更多的了解什么是量子計(jì)算，以及現(xiàn)在的量子計(jì)算前沿走到了哪一步。

經(jīng)典力學(xué)

首先我們來回顧一下經(jīng)典力學(xué)的內(nèi)容。初中生或高中生，只要有過一定物理基礎(chǔ)的人都學(xué)過牛頓力學(xué)，也就是經(jīng)典力學(xué)。牛頓力學(xué)是一項(xiàng)偉大的發(fā)現(xiàn)，之后人類開始可以精確描述我們的世界，物體的運(yùn)動(dòng)可以被預(yù)測。比如，我們可以通過牛頓力學(xué)描述月球圍繞地球的運(yùn)動(dòng)，以及地球圍繞太陽的運(yùn)動(dòng)，并預(yù)測月食、日食等。人們僅僅通過牛頓力學(xué)公式和萬有引力公式這樣兩個(gè)簡單的公式，就可以把我們?nèi)粘Ｓ^測到的世界描述清楚了。于是，到了上個(gè)世紀(jì)初，人們開始覺得物理學(xué)已經(jīng)趨于完美了，物理學(xué)家就要失業(yè)了，已經(jīng)沒有更多新的東西需要物理學(xué)家們?nèi)ヌ剿髁恕?/p>

不過在物理學(xué)的上空，還飄著“兩朵烏云”，這“兩朵烏云”是牛頓力學(xué)或者說經(jīng)典力學(xué)所解決不了的。后來大家知道，這“兩朵烏云”，一朵導(dǎo)致了量子力學(xué)的誕生，一朵導(dǎo)致了相對(duì)論的誕生。愛因斯坦是天才，他提出了同樣天才的相對(duì)論，而量子力學(xué)更加深?yuàn)W難懂，它幾乎聚集了上世紀(jì)人類所有偉大的物理學(xué)家們的智慧。如果你缺乏相關(guān)的數(shù)學(xué)知識(shí)與背景，很難依據(jù)日常世界經(jīng)驗(yàn)去真正的理解“什么是量子力學(xué)”。但是如果我們從微觀世界的物理現(xiàn)象出發(fā)，會(huì)發(fā)現(xiàn)它并沒有那么難。量子力學(xué)的特點(diǎn)即是認(rèn)為：微觀世界是量子化的，不連續(xù)的，擁有不可分的最小單元，比如光子。

量子力學(xué)

舉一個(gè)簡單的例子。大家都知道，物體是由分子、原子構(gòu)成的，原子可以分為原子核與核外電子，電子圍繞著原子核轉(zhuǎn)動(dòng)。那么，我們思考一個(gè)問題，電子是如何圍繞原子核轉(zhuǎn)動(dòng)的呢？它是像地球繞著太陽那樣轉(zhuǎn)嗎？答案是否定的，如圖所示，核外電子圍繞原子核轉(zhuǎn)動(dòng)具有分立的固定能級(jí)，它只能在某些分立的特定能級(jí)上運(yùn)動(dòng)，這些都是物理觀測結(jié)果。

數(shù)學(xué)與物理學(xué)是相反的，數(shù)學(xué)更專注于邏輯，它通過假定幾條公理，可以推到出一系列的數(shù)學(xué)結(jié)果。但是物理學(xué)不一樣，物理學(xué)更尊重物理事實(shí)，即觀測結(jié)果，我們不能因?yàn)橛^測結(jié)果與理論不符，就否定觀測結(jié)果。當(dāng)物理學(xué)家們觀測到微觀世界的原子行為與描述宏觀世界的經(jīng)典力學(xué)不符時(shí)，物理學(xué)家們也非?？鄲?，他們不知道要用一個(gè)什么樣的理論去描述這樣一種新的物理現(xiàn)象。實(shí)際上，上世紀(jì)初量子力學(xué)的建立花費(fèi)了很長的時(shí)間，因?yàn)槲⒂^世界的許多現(xiàn)象與宏觀世界很不一樣。

通過許許多多物理學(xué)家們共同的努力，最終量子力學(xué)體系得以建立起來。在量子力學(xué)體系里，“軌道”不再是我們平時(shí)所理解的軌道，它不像地球圍繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道那樣是連續(xù)的。在量子力學(xué)體系里，“軌道”是分立的，它們代表不連續(xù)的能級(jí)。

量子力學(xué)并不是一個(gè)完美而漂亮的理論，但它是一個(gè)非常實(shí)用的理論。但凡需要描述微觀世界粒子的運(yùn)動(dòng)，比如原子、分子等，就必須用到量子力學(xué)。比如晶體管、激光、高溫超導(dǎo)、巨磁阻等等，如果沒有量子力學(xué)，這些應(yīng)用領(lǐng)域都不會(huì)存在，因?yàn)橹挥欣昧孔恿W(xué)才能描述其物理規(guī)律。我們把用量子力學(xué)來描述、理解我們周邊世界并以此發(fā)明相關(guān)應(yīng)用的階段稱為“Top-down”。量子力學(xué)是對(duì)我們現(xiàn)代社會(huì)影響深遠(yuǎn)的一門科學(xué)。

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)代科技的發(fā)展已經(jīng)超出了人們的想象?，F(xiàn)代量子科學(xué)技術(shù)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)單量子操作。我們把對(duì)單個(gè)量子的狀態(tài)進(jìn)行人工制備，對(duì)多個(gè)量子間相互作用進(jìn)行主動(dòng)調(diào)控稱為“Bottom-up”。人工制備與操控單量子，是一個(gè)極具挑戰(zhàn)的科學(xué)前沿。在此基礎(chǔ)上發(fā)展出了幾個(gè)重要的領(lǐng)域：首先是量子保密通信，量子保密通信通過對(duì)單個(gè)光子的操控來實(shí)現(xiàn)安全通信；第二個(gè)就是計(jì)算能力的飛躍，即我們今天要講的主要內(nèi)容——量子計(jì)算與量子模擬，其因遠(yuǎn)超經(jīng)典計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力而受到很大重視；第三個(gè)，超越經(jīng)典極限的精密測量，單光子成像就是其中一種，對(duì)于一個(gè)像素它只需要一個(gè)光子，而傳統(tǒng)成像則需要109個(gè)。

計(jì)算機(jī)的發(fā)展

在過去，計(jì)算機(jī)并沒有像我們現(xiàn)在這么便捷與強(qiáng)大。在計(jì)算機(jī)誕生非常早的時(shí)代，為了計(jì)算一個(gè)數(shù)學(xué)問題，需要先將編寫的程序用紙條打好孔，然后輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)處理好之后再打印出來。無論計(jì)算能力，還是操作流程，與現(xiàn)在計(jì)算機(jī)都不可同日而語。但是后來，隨著集成電路的發(fā)展，計(jì)算機(jī)開始改變?nèi)祟惪萍嫉陌l(fā)展。

可是，人類對(duì)于計(jì)算能力的需求，實(shí)際上是無止境的。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，我們對(duì)計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的需求不是減少，而是增加的。人們對(duì)于數(shù)據(jù)處理的需求在急劇上升，甚至于上升的速度遠(yuǎn)超過現(xiàn)在計(jì)算能力提升的速度。

這里面涉及一個(gè)很重要的問題，就是我們現(xiàn)在的半導(dǎo)體工藝。大家都知道摩爾定律，即集成電路芯片上所集成的電路的數(shù)目每隔18個(gè)月就翻一番，也即是微處理器的性能每隔18個(gè)月提高一倍，而價(jià)格卻下降一半。但是，隨著技術(shù)的發(fā)展，集成電路的數(shù)目已經(jīng)要接近其量子極限了。

另外一個(gè)限制計(jì)算機(jī)性能發(fā)展的因素是能耗?，F(xiàn)代的計(jì)算機(jī)，特別是超級(jí)計(jì)算機(jī)，能耗問題是一個(gè)更突出的問題。我們可以堆疊更多的CPU，可以擁有更強(qiáng)大的計(jì)算能力，但是能耗太大，仍然是不現(xiàn)實(shí)的。

基于以上現(xiàn)代計(jì)算機(jī)發(fā)展的限制，人們開始設(shè)想有沒有新的計(jì)算模式，可以替代現(xiàn)在主流的半導(dǎo)體計(jì)算機(jī)模式。量子計(jì)算就是現(xiàn)在看起來最有前景的解決方案。

量子計(jì)算

那么，量子計(jì)算到底能夠在多大程度上取代經(jīng)典計(jì)算機(jī)呢？實(shí)際上，這是一個(gè)非常前沿的問題?，F(xiàn)在的普遍認(rèn)識(shí)是：量子計(jì)算機(jī)不可能完全取代經(jīng)典計(jì)算機(jī)，而只能在某些有特定難度的問題上取代經(jīng)典計(jì)算機(jī)。所以我們也不能把量子計(jì)算機(jī)神話，認(rèn)為其是未來的全部解決方案。

我們首先通過一個(gè)比較通俗的例子來介紹量子計(jì)算機(jī)的原理，希望大家可以通過這個(gè)例子理解量子計(jì)算的本質(zhì)。

量子系統(tǒng)與經(jīng)典系統(tǒng)有本質(zhì)區(qū)別。在經(jīng)典計(jì)算機(jī)中，經(jīng)典比特（我們通常就簡稱為比特），就是0和1，但在量子計(jì)算中，由于量子系統(tǒng)的特殊性，量子比特不再是一個(gè)簡單的0和1，它是一個(gè)展開的二維空間。1個(gè)比特就展開一個(gè)二維的空間；如果是2個(gè)比特，則展開一個(gè)四維的空間；3個(gè)比特則是八維的空間。如果有N個(gè)比特，展開的空間就是2N維度。這是一件非?？膳碌氖虑?，如果有300個(gè)比特的話，展開空間的維數(shù)就比宇宙的原子數(shù)目還要多了。

具備了這種指數(shù)加速能力，那么在某些問題上面，量子計(jì)算能力的提升將是可怕的。我們畫一個(gè)簡單的圖，希望能夠給出一個(gè)直觀的解釋。一根線，我們叫做一維，而一個(gè)面是二維的，一個(gè)立方體是三維的。大家沒有辦法想象四維是什么樣子，但在線性代數(shù)中，其實(shí)我們很容易就會(huì)知道一個(gè)高維空間到底是什么。

舉一個(gè)最簡單的例子，如果你是一個(gè)二維生物，位于一個(gè)立方體上，要從一個(gè)點(diǎn)到另一個(gè)點(diǎn)，那么你只能沿著一個(gè)面走，你必須要繞一圈，沒有其他辦法。但是如果你是一個(gè)三維生物，可以走三維路徑的話，就可以走直線過去。這只是一個(gè)三維的例子，但實(shí)際上量子計(jì)算就是利用這樣一個(gè)原理：把計(jì)算的初態(tài)放到一個(gè)高維空間里，通過一系列運(yùn)算，計(jì)算出最后需要到達(dá)的位置，最后再測量這個(gè)位置。這就是最基本的量子計(jì)算解釋。

我們通過這樣的方式，實(shí)現(xiàn)高速求解?，F(xiàn)在用的最多的RSA密碼，用的就是指數(shù)的加速效應(yīng)，這也是現(xiàn)在量子計(jì)算最有用的一個(gè)例子。當(dāng)然像這樣的例子大家還在不停地探索，邊界到底在哪里，需要大家一直不停地追求。

一個(gè)物理學(xué)家，如果他研究的體系能夠構(gòu)成量子比特，也就是能夠構(gòu)成量子二能級(jí)系統(tǒng)，那么他們往往就會(huì)宣稱他們?cè)谧隽孔佑?jì)算。當(dāng)然，這是一件非常困難的事情。能夠構(gòu)成量子比特的系統(tǒng)有很多種，比如光子、超導(dǎo)、半導(dǎo)體、離子阱等等?，F(xiàn)在最受追捧的就是超導(dǎo)量子計(jì)算，比如谷歌、IBM、騰訊、阿里等都在開展這方面的工作。接下來，我將對(duì)超導(dǎo)量子計(jì)算方向著重介紹。

量子計(jì)算到底有多難？

總結(jié)起來，要實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算，我們一方面希望操作一個(gè)單量子，即一個(gè)量子二能級(jí)系統(tǒng)，另一方面，量子計(jì)算的計(jì)算能力取決于量子比特?cái)?shù)，我們需要把N個(gè)量子比特耦合起來，來構(gòu)成一個(gè)復(fù)雜的量子計(jì)算系統(tǒng)。所以，我們一方面希望它是一個(gè)純凈的單量子系統(tǒng)，另一方面又希望多個(gè)量子結(jié)合在一起，可以相互耦合起來。這本身就是矛盾的。

我們來舉一個(gè)例子，比如光子，每個(gè)光子都具有非常好的量子性能，但是如果你想做量子計(jì)算，就要把很多光子結(jié)合起來，對(duì)于光子體系，這就非常困難。而超導(dǎo)系統(tǒng)有很好的可擴(kuò)展性，但是要把每一個(gè)量子都做得很好卻非常難。所以在這種內(nèi)在的矛盾里，一定要發(fā)展一個(gè)系統(tǒng)，首先它有很好的量子特性，其次你又能把它擴(kuò)展開來。這個(gè)才是走向量子計(jì)算的一條康莊大道，唯有如此，我們才能真正把量子計(jì)算做成功。

超導(dǎo)量子計(jì)算

超導(dǎo)量子計(jì)算是現(xiàn)在最受追捧的方向之一。超導(dǎo)是半導(dǎo)體、絕緣體、金屬之外最重要的一個(gè)物態(tài)，其最主要的一個(gè)特點(diǎn)就是原則上沒有能量損失。

那么通過超導(dǎo)，如何來實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算呢？首先，我來問大家一個(gè)問題，通常我們所說的量子系統(tǒng)都是微觀系統(tǒng)，那么對(duì)于一個(gè)宏觀系統(tǒng)，如果我們可以將它的噪聲或者外部擾動(dòng)降低到能與一個(gè)單原子或者單分子的微觀系統(tǒng)的擾動(dòng)相當(dāng)?shù)臅r(shí)候，這個(gè)系統(tǒng)會(huì)不會(huì)服從量子力學(xué)規(guī)律呢？答案是肯定的，如果我們能夠構(gòu)造這么一個(gè)宏觀系統(tǒng)，它就可以擁有量子特性。

在上世紀(jì)八九十年代，物理學(xué)家們做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，他們將一個(gè)比單原子大一萬倍的超導(dǎo)電路的噪聲降低到極低的水平，然后去測量其物理特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這個(gè)極低噪聲系統(tǒng)的確具有量子特性。這個(gè)實(shí)驗(yàn)告訴我們，量子力學(xué)是普適的，不管對(duì)于宏觀系統(tǒng)，還是微觀系統(tǒng)，只是對(duì)于宏觀系統(tǒng)，量子效應(yīng)往往被噪聲淹沒。

宏觀量子效應(yīng)具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，就是其可擴(kuò)展性非常好，與半導(dǎo)體中的PN結(jié)相似，在超導(dǎo)體中，有一個(gè)約瑟夫森結(jié)，通過約瑟夫森結(jié)組成與半導(dǎo)體電路相似的電子電路，，并把外部環(huán)境的噪聲降低到低于單量子擾動(dòng)，我們就可以得到一個(gè)一個(gè)的量子比特。當(dāng)然，這是一個(gè)非常有挑戰(zhàn)性的工作。

可見，超導(dǎo)量子處理器工藝與半導(dǎo)體芯片工藝非常相似，就是平面印刷工藝——通過印刷電感、電容和約瑟夫森結(jié)來構(gòu)造量子比特。那么這項(xiàng)技術(shù)的難點(diǎn)在哪里呢？就在于怎么控制每一個(gè)量子比特不受到擾動(dòng)。這也是它最難的地方。

我們平時(shí)看到的許多宣傳，比如IBM宣稱研制出50量子比特的原型機(jī)，DWave宣稱他們已經(jīng)做出了幾千量子比特的量子計(jì)算機(jī)，這些宣傳他們只告訴了你故事的一個(gè)方面，就是比特?cái)?shù)，而比特?cái)?shù)恰恰才是超導(dǎo)量子計(jì)算領(lǐng)域最容易實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。因?yàn)槠浔举|(zhì)還是半導(dǎo)體工藝，通過半導(dǎo)體印刷晶體管，可以輕松實(shí)現(xiàn)幾百、幾千的比特?cái)?shù)，如果你想，更多的比特?cái)?shù)也沒有問題。但是，這是無用的，如果沒有對(duì)每個(gè)量子比特的精確操控，比特?cái)?shù)都是徒勞。目前階段，我們認(rèn)為，一個(gè)堅(jiān)實(shí)的進(jìn)步是去年谷歌公司的量子優(yōu)越性展示，他們大概做到了50個(gè)量子比特，每個(gè)量子比特的操控精度達(dá)到99.5%。這是量子計(jì)算目前的前沿水平。

量子計(jì)算處理器是一個(gè)對(duì)單量子態(tài)進(jìn)行超高精度模擬的處理器，它要求必須達(dá)到百分之九十九點(diǎn)幾這樣高精度的控制。所以量子計(jì)算處理器幾乎把我們用到的各種技術(shù)都推到了一個(gè)極致。

量子計(jì)算的核心就是量子處理器，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)其高精度控制，需要把它放置在一個(gè)極低溫環(huán)境中，這是因?yàn)樵诹孔宇I(lǐng)域，溫度也是噪聲的一種，只有將環(huán)境溫度降低到絕對(duì)零度附近，才可以降低溫度所導(dǎo)致的系統(tǒng)擾動(dòng)。去除干擾后，對(duì)處理器發(fā)送脈沖，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)量子比特的精確操控。這就是現(xiàn)代超導(dǎo)量子計(jì)算體系的工作機(jī)理。所以，從這個(gè)角度看，量子計(jì)算機(jī)要取代經(jīng)典計(jì)算機(jī)還有很長的路要走，因?yàn)槿藗儾豢赡苊刻炜钢粋€(gè)制冷機(jī)到處跑。我們預(yù)測，將來的量子計(jì)算系統(tǒng)會(huì)以服務(wù)器的模式出現(xiàn)在大家面前。

那么量子計(jì)算機(jī)究竟可以做什么呢？我們前面提到，去年谷歌公司已經(jīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)53個(gè)量子比特的99.4%保真度的操控，這樣的一個(gè)量子計(jì)算機(jī)可以做什么呢？目前，科學(xué)家們讓它應(yīng)用在了“量子隨機(jī)線路采樣”這個(gè)問題上，并且證實(shí)它的求解速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過經(jīng)典計(jì)算機(jī)。但是遺憾的是，這個(gè)問題沒有任何實(shí)際應(yīng)用，它只是用來演示量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算性能。下一步，科學(xué)家們希望可以找到一些實(shí)際應(yīng)用問題，實(shí)現(xiàn)在該問題上超過經(jīng)典計(jì)算機(jī)的性能。

我們最終希望可以通過“通用容錯(cuò)量子計(jì)算”來實(shí)現(xiàn)比如解密算法等等的實(shí)際應(yīng)用。通用容錯(cuò)量子計(jì)算的核心為量子糾錯(cuò)，即要把錯(cuò)誤糾正，讓所有的量子比特都能正確運(yùn)作起來。這是一項(xiàng)宏偉的計(jì)劃，我們團(tuán)隊(duì)希望今年可以實(shí)現(xiàn)60比特，99.5%保真度，這實(shí)際上就是與谷歌保持同一水平。我們希望今年也可以在同一問題上實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性。在未來五年希望做到1000個(gè)量子比特，這樣就能夠找到一些比經(jīng)典計(jì)算更快求解的實(shí)際應(yīng)用。其實(shí)谷歌也提出了同樣的目標(biāo)，當(dāng)然，這是一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的目標(biāo)。

一個(gè)真正的通用容錯(cuò)的量子計(jì)算機(jī)需要100萬個(gè)量子比特，精度要求為99.8%。當(dāng)然這個(gè)難度相當(dāng)大。我們希望與谷歌正面競爭，和他們一樣，提出在未來10年做到100萬量子比特。

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