量子計算物理實現(xiàn)體系

陳瑞亭

摘要：文章主要介紹了量子計算機的物理實現(xiàn)體系的研究歷史和現(xiàn)狀。重點介紹了幾個具有可集成性的量子計算系統(tǒng)：離子阱體系、半導體量子點體系、腔量子電動力學體系和超導量子體系，這些量子計算機的物理實現(xiàn)體系吸引著國內外研究量子計算的最主要研究力量，是未來量子計算機發(fā)展的主要方向。

關鍵詞：量子計算；離子阱；量子點；腔量子電動力學；超導量子

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）36-0139-02

Abstract：This article reviews the development of studies on physical implementations of quantum computation.Some qubit systems such as ion trap， quantum dots， cavity QED，superconductiong Josephson junctions which are generally considered as main candidates of physical realizations for quantum computers are mainly introduced. Studies on those physical implementation systems which will be the future research direction are attracting primary experimental groups in the field of quantum computation

Key words： quantum computation； ion trap； quantum dots； cavity QED； superconductiong Josephson junctions

1 概述

隨著人類社會進步，信息呈指數(shù)增長，人類對信息處理速度的要求越來越高，但由于“熱耗效應”和“尺寸效應”，傳統(tǒng)電子計算機的發(fā)展逐漸接近瓶頸[1]，也啟發(fā)人們開始探索如何用量子力學原理構造計算機。

量子計算機是一類依照量子力學規(guī)律，能夠進行量子信息存儲和計算的物理裝置。與目前普遍應用的電子計算機的根本區(qū)別在于，量子計算機信息處理單元不是比特（bit），而是量子比特（qubit），比特包含0和1兩種狀態(tài)，而量子比特是0和1兩種狀態(tài)的疊加，稱為量子疊加態(tài)。量子比特疊加態(tài)可看做是一個二維復向量，因此能夠代表更多信息。量子疊加性、相干性、糾纏性、并行性作為量子計算機的重要特征，是量子計算機的基礎，也決定了量子計算機的復雜性。

1982年，美國物理學家Feynman提出將量子力學理論和計算機技術結合起來的設想。1985年，英國牛津大學的Deutsch等人進一步闡述了量子計算機的概念，并提出實現(xiàn)普適量子計算機的重點是研究如何由量子邏輯門構成邏輯網(wǎng)絡。1994年AT&T Bell實驗室的Shor證明了量子計算在解決質因數(shù)分解問題和計算離散對數(shù)問題的突出能力，科學界對量子計算機的關注達到了前所未有的程度，量子計算進入到了實驗研究階段。

2 物理實現(xiàn)體系

要真正實現(xiàn)普適量子計算機，需要具備三個基本條件：量子芯片、量子編碼和量子算法，它們分別是代表了量子計算機的物理硬件系統(tǒng)、確保計算可靠的底層信息處理系統(tǒng)和提高運算速度的軟件系統(tǒng)。量子計算理論方面的進展發(fā)展迅速，但量子計算的實驗進展則要緩慢得多。按照IBM科學家所提出的DvVincenzon判據(jù)，為了進行有效的量子計算，實現(xiàn)量子計算的物理體系需要滿足以下基本要求：具有可伸縮的、特性良好的量子比特；量子比特具備初態(tài)制備能力；量子比特要有足夠長的相干時間；具有完備的幺正操作能力；能夠對量子比特終態(tài)實施有效的測量。除此之外為實現(xiàn)實用量子計算機，量子計算物理體系還要能夠規(guī)模集成化，目前的技術水平在量子世界實現(xiàn)規(guī)?；欠浅＠щy的。

2.1 離子阱體系

離子阱體系采用受限離子的基態(tài)和激發(fā)態(tài)組成的兩能級體系作為量子比特，很多離子被放在“阱”里面形成離子比特單元。離子阱的基本原理是利用電荷與電磁場間的交互作用力牽制帶電粒子體運動，將其局限在某一個小范圍內。早在50年代末離子阱就被應用于改進光譜丈量的精確度。1995年奧地利Innsbruck大學的Cirac和Zoller首次提出利用線性離子阱體系實現(xiàn)量子計算，并展示了如何利用被俘獲離子做一個控制非門。該方案利用失諧激光束照射和激光冷卻實現(xiàn)量子比特的受控幺正變換和初態(tài)制備，從此離子阱方案引起廣泛關注。

由于激光冷卻在線性離子阱方案中效率很低，并且離子對電場噪聲敏感，運動模式存在退相干問題，量子比特的擴展變得很困難。為了提高量子比特的集成數(shù)目，解決方法之一是通過設置阱電極，離子在電場力的作用下穿梭于復雜阱結構的不同區(qū)域，離子之間相互獨立，減小相互之間干擾；另一種方法是利用光學相互作用將小的庫倉離子團耦合起來，實現(xiàn)微米尺度的離子糾纏。

晶格離子阱方案中每個離子阱中僅僅束縛單個離子，不同離子阱間隔較遠，可以忽略之間的相互作用，相比線性離子阱方案，增大了并行操作效率，且由于離子阱之間互不影響，易于集成[3]。離子阱系統(tǒng)主要挑戰(zhàn)在于外加激光強度、頻率及相位的不穩(wěn)定性，微型化和集成化存在巨大的困難，以及高度集成時如何保持有較高的高保真度。

2.2 半導體量子點體系

半導體量子點體系利用當前成熟的半導體加工工藝方法，在平面半導體電子器件上制備單電子晶體管，其電子服從量子力學運動規(guī)律，將電子自旋的向上和向下組成的系統(tǒng)作為一個量子比特，這種電子自旋的量子物理體系被認為最有希望成為未來量子計算機的發(fā)展方向之一。

2004年，荷蘭Delft大學的Kouwenhoven等人首次在半導體器件上實現(xiàn)了自旋量子比特的制備。2005年，美國哈弗大學的Marcus等人成功實現(xiàn)了自旋量子比特的邏輯門操作。2007年底，荷蘭Delft大學的Vanderspyen等人在同一塊半導體量子點器件上實現(xiàn)了自旋量子計算的全部基本要素：量子比特制備、量子邏輯門操作、量子相干和測量。

但半導體量子點體系受周圍核自旋影響嚴重，如何解決其退相干，維持其量子相干狀態(tài)遇到了更大的挑戰(zhàn)。目前眾多研究人員在利用多種新型半導體材料制備量子點方面取得一系列突破：如利用Si/Ge材料、納米管、單層石墨等新材料制備量子點，這些新材料沒有核自旋，因此具有很長的量子相干時間，為半導體量子點的研究開辟了一條新的道路。

半導體量子點體系被認為是最有可能實現(xiàn)大規(guī)模量子計算機的候選方案之一，是量子計算機研究領域發(fā)展最快的分支。著名量子信息專家、美國IBM公司研究員Dviincenzo在《Science》上發(fā)表評論[4]，其認為半導體量子點體系作為未來量子計算的量子芯片是真實可行的。

2.3 腔量子電動力學體系

基于腔量子電動力學（Cavity QED）的量子計算機類似于離子阱量子計算，其中量子信息存儲在原子或光子的內部能級中，利用原子或光子與微腔的相互作用控制原子或光子的內部狀態(tài)實現(xiàn)量子比特之間的耦合。從腔的工作頻率來分，腔QED系統(tǒng)可分為微波腔和光學腔。微波腔需要精確控制飛行的里德堡原子的飛行速度，而原子并不適合作為飛行量子位，目前國際上主要集中在光學腔的研究。1995年，美國加州理工學院的Kimble等人第一次驗證了工作在強耦合下的光學腔QED可以提供實現(xiàn)量子邏輯門所需要的非線性相互作用。2000年，德國馬普研究所的Rempe等人實現(xiàn)了利用基于絕熱通道的受激拉曼散射，對量子態(tài)進行調控。

由于傳統(tǒng)光學腔品質因數(shù)、擴展集成、復雜工藝等問題，研究人員開始探索新的光學微腔體系。目前主要研究方向有回音壁模式微腔和光子晶體缺陷微腔。這兩種微腔具有較小的模式體積和極高的品質因數(shù)，能夠提供更強的原子光場相干強度?；匾舯谀Ｊ降奈⑶患庸すに嚥捎玫氖莻鹘y(tǒng)的半導體刻蝕技術，十分容易集成。目前回音壁模式微腔研究已成為一個國際研究熱點[3]。

2.4 超導量子體系

1985年，Leggett提出用超導約瑟夫森結來觀測宏觀量子現(xiàn)象，隨后研究人員在超導約瑟夫森結器件中陸續(xù)實現(xiàn)和觀測了量子隧穿、能級量子化、量子態(tài)相加疊加、量子相干振蕩等現(xiàn)象。超導量子體系利用的是超導電極與約瑟夫森結的耦合體系。約瑟夫森結是一種“超導體—絕緣體—超導體”的三層結構。量子比特有超導電荷、超導磁通和超導相位三種形式。這三種超導量子比特的主要區(qū)別是約瑟夫森結耦合能和電荷能相對大小不同，磁通量子比特和相位量子比特都以相位作為自由度，約瑟夫森結耦合能大于電荷能，不同的是相位量子比特約瑟夫森結耦合能更大。

目前開展超導量子比特實驗研究的有美國、歐洲、日本、中國的約20個小組，是目前進展最快最好的一種固體量子計算實現(xiàn)方法[5]。2001年，德國Karlsruhe University的Makhlin等實現(xiàn)了超導電荷比特。2004年，美國耶魯大學的Schoelkopf等實現(xiàn)了1個電荷比特與超導傳輸線腔諧振子之間的強耦合。1999年，美國麻省理工的Orlando等提出了磁通超導比特。2006年，日本NEC實驗室的Niskanen等實現(xiàn)了2個磁通比特之間的可控耦合。

超導量子體系的優(yōu)點在于：超導量子電路的能級結構可以通過對電路的設計或外加電磁信號定制或調控；約瑟夫森量子電路具有目前多數(shù)體系都難以克服的可擴展性。超導體系量子計算在未來有很大發(fā)展?jié)摿?。但是由于量子體系的不可封閉性，在實現(xiàn)超導量子比特體系時，環(huán)境噪聲、正像電荷表示、寄生電荷（準粒子）的背景起伏等使得耗散和退相干成為不可避免的問題。

目前國際上另一個發(fā)展趨勢就是超導絕熱量子計算。加拿大D-Wave Systems公司推出的D-Wave系列量子計算機采用了基于量子退火的絕熱量子計算方式[1]，該公司2015年8月發(fā)布D-Wave 2X系統(tǒng)運用了1152 Qubit的架構。2015年12月，美國谷歌量子人工智能實驗室宣布在兩次測試D-Wave 2X的運行速度比傳統(tǒng)模擬裝置計算機芯片運行速度快1億倍。但對于這種采用非量子門電路的量子退火計算機，科學界一直質疑聲不斷，但無可否認這種計算機在解決一些特定問題能夠大大提高速度，也是目前僅有的能夠大規(guī)模實現(xiàn)的方式。

3 結束語

本文總結了量子計算物理實現(xiàn)的歷史、現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，分析了不同物理實現(xiàn)體系的優(yōu)勢與問題。從目前研究來看，未來哪種物理實現(xiàn)系統(tǒng)最終可研制成通用量子計算機尚無定論。盡管量子計算的物理實現(xiàn)問題不存在原則上的障礙，量子計算的各個基本思想的原理性驗證都取得了較大進展，但在集成性技術上的難度還是非常巨大的，但人們相信量子計算機必定能研制出來，這種信念正激勵著廣大研究人員以更大熱情投入到這個新興領域的研究中。

參考文獻：

[1] 周正威，涂濤，龔明，等.量子計算的進展和展望[J].物理學進展，2009，29（3）.

[2] 方糧，劉汝霖，湯振林，等. 量子計算機：量子算法與物理實現(xiàn)[J]. 計算機工程與科學，2012， 34（8）.

[3] 郭光燦，周正威，郭國平，等. 量子計算機的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J]. 學科發(fā)展， 2010，25（5）.

[4] Divincenzo D P. Science[J]. 2005（ 309）：2173-2174.

[5] 薛飛，杜江峰，周先意，等. 量子計算的物理實現(xiàn)[J]. 前沿進展，2004，33（10）.