《南京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)》—量子計(jì)算機(jī)研究進(jìn)展

量子計(jì)算機(jī)研究進(jìn)展

來(lái)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(lái)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(jí)，離可破解密碼的通用量子計(jì)算機(jī)還有很長(zhǎng)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(duì)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(wú)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(lái)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(lái)越小但是其功能卻越來(lái)越強(qiáng)大，電腦、手機(jī)成為人們無(wú)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(duì)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(guó)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(lái)模擬量子體系的演化。隨后英國(guó)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(zhǎng)度指數(shù)增長(zhǎng)的問題縮減為多項(xiàng)式增長(zhǎng)，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(lái)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(zhǎng)復(fù)雜度的問題變?yōu)槎囗?xiàng)式增長(zhǎng)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(wú)比運(yùn)算能力的新型信息處理工具，因此稱之為未來(lái)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(cè)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(duì)末態(tài)實(shí)施量子測(cè)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(duì)量子芯片系統(tǒng)實(shí)施對(duì)應(yīng)的操控，操控結(jié)束后，量子測(cè)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(jiǎn)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：?jiǎn)蜗蛄孔佑?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(wú)法實(shí)際應(yīng)用。“量子編碼”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(lái)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(lái)源于非理想的量子操作，包括門操作和編碼的操作?？茖W(xué)家提出容錯(cuò)編碼原理來(lái)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(lái)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(duì)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(guó)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(cè)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(shì)，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(lái)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(shì)。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(guó)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(jí)可以通過外加電磁場(chǎng)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(shì)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(duì)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(shì)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(lái)其發(fā)展?jié)摿Σ豢傻凸馈Ｄ壳?，不少?guó)際大公司以及國(guó)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(zhǎng)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(lái)衡量設(shè)計(jì)的量子計(jì)算機(jī)的性能。此外，對(duì)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(cè)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(duì)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(duì)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(duì)保真度而言，不管其衡量量子態(tài)的場(chǎng)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(duì)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(duì)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(cè)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(duì)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(zhǎng)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(duì)之間的直接交互，并不滿足不相鄰量子比特對(duì)之間的交互。而對(duì)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(duì)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(cè)量（Mid-circuit Measurement）：測(cè)量塌縮理論是量子力學(xué)的一個(gè)基本定律，即測(cè)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(cè)量即為測(cè)量塌縮定律的一個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景，不同于以往的量子態(tài)測(cè)量，中間線路測(cè)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(cè)量量子比特，且測(cè)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(cè)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(cè)量的量子比特是由測(cè)量而塌縮得到的經(jīng)典狀態(tài)（0或1），而沒有被測(cè)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(duì)于成功測(cè)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(lái)產(chǎn)生相同的旋轉(zhuǎn)角度，轉(zhuǎn)而使用激光門來(lái)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(guó)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(jí)計(jì)算機(jī)上可能需要運(yùn)行大約1萬(wàn)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(duì)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(lái)進(jìn)行糾錯(cuò)處理完善其性能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)化學(xué)過程進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算預(yù)測(cè)［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?，從?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(lái)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(jí)的芯片，用它來(lái)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(lái)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(zhǎng)或超指數(shù)增長(zhǎng)，而在量子計(jì)算機(jī)上是多項(xiàng)式增長(zhǎng)，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(lái)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(wàn)到幾百萬(wàn)量級(jí)，二是應(yīng)采用“糾錯(cuò)容錯(cuò)”技術(shù)。鑒于人類對(duì)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(zhǎng)的路要走。

4 量子信息技術(shù)時(shí)代何時(shí)到來(lái)
4.1 量子計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)難題
目前，國(guó)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(duì)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)模化的量子計(jì)算機(jī)將需要數(shù)十萬(wàn)乃至數(shù)百萬(wàn)個(gè)量子比特，而人類操控量子世界的能力很有限，無(wú)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(wàn)量級(jí)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(lái)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(lái)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(wú)規(guī)律的數(shù)字庫(kù)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?？此铺崴俨欢?，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(wàn)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(zhǎng)，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(zhǎng)，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(yǔ)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(duì)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(duì)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(duì)，雖然經(jīng)典計(jì)算實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單，但是其在一些算力需求較大的問題上就顯得無(wú)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(lái)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(lái)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(lái)說(shuō)更容易實(shí)現(xiàn)，所以量子計(jì)算在實(shí)際應(yīng)用中迎來(lái)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(lái)的某一天能真正意義上地觸及擁有無(wú)限算力的量子計(jì)算，并用它來(lái)簡(jiǎn)化這個(gè)世界的復(fù)雜性。

5 結(jié)束語(yǔ)
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(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，多數(shù)人對(duì)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(lái)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(zhǎng)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(guó)在量子計(jì)算機(jī)研制上已經(jīng)明顯落后于美國(guó)，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(guó)政府的重視、支持，以及國(guó)內(nèi)大量企業(yè)在該領(lǐng)域的關(guān)注與持續(xù)投入，我國(guó)的量子計(jì)算機(jī)的研制將會(huì)不斷取得突破，緊追國(guó)際前沿水平。

審核編輯：符乾江