量子計算技術的研究現狀與趨勢

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文/郭光燦 中國科學院院士， 《中國科學》

1900年 Max Planck 提出「量子」概念，宣告了「量子」時代的誕生。科學家發現，微觀粒子有著與宏觀世界的物理客體完全不同的特性。宏觀世界的物理客體，要麼是粒子，要麼是波動，它們遵從經典物理學的運動規律，而微觀世界的所有粒子卻同時具有粒子性和波動性，它們顯然不遵從經典物理學的運動規律。20世紀20年代，一批年輕的天才物理學家建立了支配著微觀粒子運動規律的新理論，這便是量子力學。近百年來，凡是量子力學預言的都被實驗所證實，人們公認，量子力學是人類迄今最成功的理論。

第二次量子革命

我們將物理世界分成兩類：凡是遵從經典物理學的物理客體所構成的物理世界，稱為經典世界；而遵從量子力學的物理客體所構成的物理世界，稱為量子世界。這兩個物理世界有著絕然不同的特性，經典世界中物理客體每個時刻的狀態和物理量都是確定的，而量子世界的物理客體的狀態和物理量都是不確定的。概率性是量子世界區別於經典世界的本質特徵。量子力學的成功不僅體現在迄今量子世界中尚未觀察到任何違背量子力學的現象，事實上，正是量子力學催生了現代的信息技術，造就人類社會的繁榮昌盛。信息領域的核心技術是電腦和網際網路。

量子力學的能帶理論是電晶體運行的物理基礎，電晶體是各種各樣晶片的基本單元。光的量子輻射理論是雷射誕生的基本原理，而正是該技術的發展才產生當下無處不在的網際網路。然而，電晶體和雷射器卻是經典器件，因為它們遵從經典物理的運行規律。因此，現在的信息技術本質上是源於量子力學的經典技術。

20世紀80年代，科學家將量子力學應用到信息領域，從而誕生了量子信息技術，諸如量子計算機、量子密碼、量子傳感等。這些技術的運行規律遵從量子力學，因此不僅其原理是量子力學，器件本身也遵從量子力學，這些器件應用了量子世界的特性，如疊加性、糾纏、非局域性、不可克隆性等，因而其信息功能遠遠優於相應的經典技術。量子信息技術突破了經典技術的物理極限，開闢了信息技術發展的新方向。一旦量子技術獲得廣泛的實際應用，人類社會生產力將邁進到新階段。因此，我們將量子信息的誕生稱為第二次量子革命，而基於量子力學研製出的經典技術，稱之為第一次量子革命。量子信息技術就是未來人類社會的新一代技術。

量子網絡

量子信息技術最終的發展目標就是研製成功量子網絡。量子網絡基本要素包括量子節點和量子信道。所有節點通過量子糾纏相互連接，遠程信道需要量子中繼。量子網絡將信息傳輸和處理融合在一起，量子節點用於存儲和處理量子信息，量子信道用於各節點之間的量子信息傳送。與經典網絡相比，量子網絡中信息的存儲和傳輸過程更加安全，信息的處理更加高效，有著更加強大的信息功能。量子節點包括通用量子計算機、專用量子計算機、量子傳感器和量子密鑰裝置等。應用不同量子節點將構成不同功能的量子網絡。

典型的有：

1、由通用量子計算機作為量子節點，將構成量子云計算平臺，其運算能力將強大無比；

2、使用專用量子計算機作為量子節點可以構成分布式量子計算，其信息功能等同於通用量子計算機。亦即應用這種方法可以從若干比特數較少的量子節點採用糾纏通道連接起來，可以構成等效的通用量子計算機；

3、量子節點是量子傳感器，所構成的量子網絡便是高精度的量子傳感網絡，也可以是量子同步時鐘；

4、量子節點是量子密鑰裝置，所構成的量子網絡便是量子密鑰分配(QKD)網絡，可以用於安全的量子保密通信。

當然，單個量子節點本身就是量子器件，也會有許多應用場景，量子網絡就是這些量子器件的集成，其信息功能將得到巨大提升，應用更廣泛。

上述的量子網絡是量子信息技術領域發展的遠景，當前距離這個遠景的實現還相當遙遠。不僅尚無哪種類型量子網絡已經演示成功，即使是單個量子節點的量子器件也仍處於研製階段，距離實際的應用仍有著很長的路要走。即便是單個量子節點研製成功，要將若干量子節點通過糾纏信道構成網絡也極其困難——通常採用光纖作為量子信息傳輸的通道，量子節點的量子信息必須能強耦合到光纖通信波長的光子上，該光子到達下個量子節點處再強耦合到該節點工作波長的量子比特上，任何節點之間最終均可實現強耦合、高保真度的相干操控，只有這樣才能實現量子網絡的信息功能。目前，連接多個節點的量子界面仍然處於基礎研究階段。

至於遠程的量子通道，必須有量子中繼才能實現，而量子中繼的研製又依賴於高速確定性糾纏光源和可實用性量子存儲器的研究，所有這些核心器件仍然處於基礎研究階段，離實際應用還很遠。因此整個量子信息技術領域仍然處於初期研究階段，實際應用還有待時日。

那麼，量子信息技術時代何時到來？量子計算機是量子信息技術中最有標誌性的顛覆性技術，只有當通用量子計算機獲得廣泛實際應用之時，我們才可斷言人類社會已進入量子技術新時代。

量子計算機

經典計算機按照摩爾定律迅速發展 每18個月，其運算速度翻一番。

20世紀80年代，物理學家卻提出「摩爾定律是否會終結」這個不受人歡迎的命題，並著手開展研究。最後竟然得出結論：摩爾定律必定會終結。理由是，摩爾定律的技術基礎是不斷提高電子晶片的集成度——即單位晶片面積的電晶體數目。但這個技術基礎受到兩個主要物理限制：一是由於非可逆門操作會丟失大量比特，並轉化為熱量，最終會燒穿電子晶片，這也是當下大型超算中心遇到的巨大能耗困難所在；二是終極的運算單元是單電子電晶體，而單電子的量子效應將影響晶片的正常工作，使計算機運算速度無法如預料的提高。

物理學家的研究結果並不影響當時摩爾定律的運行，多數學者甚至認為物理學家是杞人憂天。然而物理學家並未停止腳步，著手研究第2個問題：摩爾定律失效後，如何進一步提高信息處理的速度——即後摩爾時代提高運算速度的途徑是什麼？研究結果誕生了「量子計算」的概念。

1982年美國物理學家Feynman指出，在經典計算機上模擬量子力學系統運行存在著本質性困難，但如果可以構造一種用量子體系為框架的裝置來實現量子模擬就容易得多。隨後英國物理學家Deutsch提出「量子圖靈機」概念，「量子圖靈機」可等效為量子電路模型。從此，「量子計算機」的研究便在學術界逐漸引起人們的關注。

1994年Shor提出了量子並行算法，證明量子計算可以求解「大數因子分解」難題，從而攻破廣泛使用的RSA公鑰體系，量子計算機才引起廣泛重視。Shor並行算法是量子計算領域的裡程碑工作。進入21世紀，學術界逐漸取得共識：摩爾定律必定會終結，因此，後摩爾時代的新技術便成為熱門研究課題，量子計算無疑是最有力的競爭者。

量子計算應用了量子世界的特性，如疊加性、非局域性和不可克隆性等，因此天然地具有並行計算的能力，可以將某些在電子計算機上指數增長複雜度的問題變為多項式增長複雜度，亦即電子計算機上某些難解的問題在量子計算機上變成易解問題。量子計算機為人類社會提供運算能力強大無比的新的信息處理工具，因此稱之為未來的顛覆性技術。量子計算機的運算能力同電子計算機相比，等同於電子計算機的運算能力同算盤相比。可見一旦量子計算得到廣泛應用，人類社會各個領域都將會發生翻天覆地的變化。

量子計算的運算單元稱為量子比特，它是0和1兩個狀態的疊加。量子疊加態是量子世界獨有的，因此，量子信息的製備、處理和探測等都必須遵從量子力學的運行規律。量子計算機的工作原理如圖1所示。

【圖1 量子計算機的工作原理】

量子計算機與電子計算機一樣，用於解決某種數學問題，因此它的輸入數據和結果輸出都是普通的數據。區別在於處理數據的方法本質上不同。量子計算機將經典數據製備在量子計算機整個系統的初始量子態上，經由么正操作變成量子計算系統的末態，對末態實施量子測量，便輸出運算結果。圖1中虛框內都是按照量子力學規律運行的。圖中的么正操作(U操作)是信息處理的核心，如何確定U操作呢？首先選擇適合於待求解問題的量子算法，然後將該算法按照量子編程的原則轉換為控制量子晶片中量子比特的指令程序，從而實現了U操作的功能。量子計算機的實際操作過程如圖2所示。

【圖2 量子計算機的實際操作過程 】

給定問題及相關數據，科學家設計相應的量子算法，進而開發量子軟體實現量子算法，然後進行量子編程將算法思想轉化為量子計算機硬體能識別的一條條指令，這些指令隨後發送至量子計算機控制系統，該系統實施對量子晶片系統的操控，操控結束後，量子測量的數據再反饋給量子控制系統，最終傳送到工作人員的電腦上。

【圖3 單雙量子比特門】

量子邏輯電路是用於實現U變換的操作，任何複雜的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。

基於量子圖靈機(量子邏輯電路)的量子計算稱為標準量子計算，現在還在研究的其他量子計算模型還有：單向量子計算、拓撲量子計算和絕熱量子計算(量子退火算法)等。

量子計算機是宏觀尺度的量子器件，環境不可避免會導致量子相干性的消失(即消相干)，這是量子計算機研究的主要障礙。「量子編碼」用於克服環境的消相干，它增加信息的冗餘度，用若干物理量子比特來編碼一個邏輯比特(信息處理的單元)。

業已證明，採用起碼5個量子比特編碼、1個邏輯比特，可以糾正消相干引起的所有錯誤。量子計算機實際應用存在另一類嚴重的錯誤，這種錯誤來源於非理想的量子操作，包括門操作和編碼的操作。科學家提出容錯編碼原理來糾正這類錯誤，該原理指出，在所有量子操作都可能出錯的情況下，仍然能夠將整個系統糾正回理想的狀態。這涉及到「容錯閾值定理」，即只有量子操作的出錯率低於某個閾值，才能實現量子容錯。

容錯閾值與量子計算的實際構型有關，在一維或準一維的模型中，容錯的閾值為105，在二維情況(採用表面碼來編碼比特)，閾值為102。經過科學家十多年的努力，現在離子阱和超導系統的單雙比特操作精度已經達到這個閾值。這個進展極大地刺激了人們對量子計算機研製的熱情，量子計算機的實現不再是遙不可及的。量子計算機的研製逐步走出實驗室，成為國際上各大企業追逐的目標。

量子計算機研製涉及以下關鍵技術部件：

1、核心晶片，包括量子晶片及其製備技術；

2、量子控制，包括量子功能器件、量子計算機控制系統和量子測控技術等；

3、量子軟體，包括量子算法、量子 開發環境和量子作業系統等；

4、量子云服務，即面向用戶的量子計算機雲服務平臺；

量子計算機的研製從以科研院校為主體變為以企業為主體後發展極其迅速：

【圖4 2019 年量子計算機的研製取得重大進展. (a), (b) IBM 推出的全球首套商用量子計算機 IBM Q System One; (c), (d) Google 推出的 53 個量子比特的超導量子晶片】

2016年IBM公布全球首個量子計算機在線平臺，搭載5位量子處理器；

2018年本源量子推出當時國際最強的64位量子虛擬機，打破了當時採用經典計算機模擬量子計算機的世界紀錄；

2019年量子計算機研製取得重大進展：年初IBM推出全球首套商用量子計算機，命名為IBM Q System One，這是首臺可商用的量子處理器；

2019年10月，Google在Nature上發表了一篇裡程碑論文，報導他們用53個量子比特的超導量子晶片，耗時200s實現一個量子電路的採樣實例，而同樣的實例在當今最快的經典超級計算機上可能需要運行大約1萬年，他們宣稱實現了「量子霸權」；

2020年9月，本源完全自主研發的超導量子計算雲平臺正式向全球用戶開放，該平臺基於本源量子自主研發的超導量子計算機——悟源（搭載6比特超導量子處理器夸父KFC6-130）。

總之，量子計算機研製已從高校、研究所為主發展為以公司為主力，從實驗室的研究邁進到企業的實用器件研製，量子計算機將經歷3個發展階段：

量子計算原型機

原型機的比特數較少，信息功能不強，應用有限，但「五臟俱全」，是地地道道地按照量子力學規律運行的量子處理器。IBM Q System One就是這類量子計算機原型機。

量子霸權

量子比特數在50-100左右，其運算能力超過任何經典的電子計算機。但未採用 「糾錯容錯」 技術來確保其量子相干性，因此只能處理在其相干時間內能完成的那類問題，故又稱為專用量子計算機，這種機器實質是中等規模帶噪聲量子計算機(noisy intermediate-scale quantum, NISQ)。

應當指出，「量子霸權」實際上是指在某些特定的問題上量子計算機的計算能力超越了任何經典計算機。這些特定問題的計算複雜度經過嚴格的數學論證，在經典計算機上是指數增長或超指數增長，而在量子計算機上是多項式增長，因此體現了量子計算的優越性。

通用量子計算機

這是量子計算機研製的終極目標，用來解決任何可解的問題，可在各個領域獲得廣泛應用。通用量子計算機的實現必須滿足兩個基本條件，一是量子比特數要達到幾萬到幾百萬量級，二是應採用 「糾錯容錯」 技術。鑑於人類對量子世界操控能力還相當不成熟，因此最終研製成功通用量子計算機還有相當長的路要走。

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