量子計算機的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

郭光燦，周正威，郭國平，涂濤

量子計算機的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

郭光燦，周正威，郭國平，涂濤

1 量子計算機的研究概況

量子信息科學(xué)是利用量子體系的獨特性質(zhì)對計算、編碼、信息處理和傳輸過程給予新的詮釋，開發(fā)新的、更為高效的信息處理功能的一門學(xué)科，它是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果。量子信息科學(xué)的研究為物理學(xué)、信息科學(xué)、材料科學(xué)乃至整個科學(xué)注入了新的生命力，同時對推動相關(guān)高新技術(shù)的發(fā)展以及人類社會的進步具有深遠的意義。

量子信息科學(xué)的核心目標(biāo)是實現(xiàn)真正意義上的量子計算機和實現(xiàn)絕對安全的、可實用化的長程量子通信。目前，量子密碼技術(shù)正從實驗室研究走向?qū)嶋H應(yīng)用，研究實用系統(tǒng)的安全性以及提高實用性能成為該方向的主要課題；量子計算機的研究尚在起步階段，但它以其獨特的魅力正吸引著越來越多的科學(xué)家和工程技術(shù)人員加入這個研究陣營。

量子計算機與現(xiàn)有的電子計算機以及正在研究的光計算機、生物計算機等的根本區(qū)別在于，其信息單元不是比特（bit，兩個狀態(tài)分別用0或 1表示），而是量子比特（qubit），即兩個狀態(tài)是0和1的相應(yīng)量子態(tài)疊加，因此單個量子 CPU具有強大的平行處理數(shù)據(jù)的能力，而且，其運算能力隨量子處理器數(shù)目的增加呈指數(shù)增強。這將為人類處理海量數(shù)據(jù)提供無比強大的運算工具。作為一個應(yīng)用例子，Shor業(yè)已證明，運用量子并行算法可以輕而易舉地攻破現(xiàn)在廣泛使用的 RSA公鑰體系。

1985年，英國牛津大學(xué)的Deutsch 建立了量子圖靈機的模型。隨后，他把建立一個普適量子計算機的任務(wù)轉(zhuǎn)化為建立由量子邏輯門所構(gòu)成的邏輯網(wǎng)絡(luò)。1995年，人們發(fā)現(xiàn)量子計算機的邏輯網(wǎng)絡(luò)可以由結(jié)構(gòu)更為簡單的邏輯門集構(gòu)成，即采用單量子比特的任意旋轉(zhuǎn)和雙量子比特的受控非門，就可以搭建任意的量子電路。這就是所謂的量子計算機標(biāo)準(zhǔn)模型。

如果要在真實的物理體系中實現(xiàn)量子計算的功能，該物理體系必須滿足所謂的Divincenzo。鑒于很難找到某個物理系統(tǒng)能同時滿足這個判據(jù)，科學(xué)家提出若干個替代標(biāo)準(zhǔn)模型的量子計算方案。

1.1 拓撲量子計算

該方案最初由數(shù)學(xué)物理學(xué)家 Kitaev于 1997年提出。他利用特殊系統(tǒng)不受小擾動影響的拓撲量子性質(zhì)來構(gòu)造量子計算機，從而可以實現(xiàn)容錯的量子計算。目前，這一領(lǐng)域在國際學(xué)術(shù)界得到很大的重視，哈佛大學(xué)、哥倫比亞大學(xué)、芝加哥大學(xué)、加州理工學(xué)院等一流學(xué)校已開始了理論和實驗方面的研究。

二維空間系統(tǒng)存在具有分數(shù)統(tǒng)計的準(zhǔn)粒子，被稱為任意子，任意子的統(tǒng)計包含阿貝爾和非阿貝爾兩種，非阿貝爾任意子的拓撲性質(zhì)能夠用來做拓撲量子計算。用于做拓撲量子計算的任意子具有以下特點：

（1）有一系列不同類型的準(zhǔn)粒子，用于信息的初始化。

（2）任意子的交換和旋轉(zhuǎn)滿足群論中的辮群規(guī)則，可以實現(xiàn)拓撲量子門，用來處理信息。

（3）拓撲量子計算中信息編碼是非局域的，基本上不受周圍環(huán)境的影響，因此錯誤率很低，具有自動容錯的功能。

（4）滿足干涉測量中的Bunching規(guī)則，可用于信息讀取。

目前的研究表明，二維系統(tǒng)的非阿貝爾統(tǒng)計的任意子態(tài)最有可能在填充因子為5/2的分數(shù)量子霍爾效應(yīng)中實現(xiàn)。2009年，美國哈佛大學(xué)和以色列Weizmann研究所同時報道在實驗上證實了這類態(tài)的存在，并在此態(tài)上構(gòu)建了基本的量子位。

1.2 單向量子計算

單向量子計算是 R. Raussendorf和 H. Briegel在2000年提出的一種新的途徑。其思想是利用量子糾纏態(tài)以及局域操作和經(jīng)典通信過程，可以傳遞非局域的相互作用，從而等價地實現(xiàn)非局域哈密頓量的功能。因此，可建立一種高度糾纏的狀態(tài)（至少是二維的），稱為圖態(tài)，只需要通過對相鄰的幾個量子比特進行 LOCC過程，測量結(jié)束之后，可以等效地實現(xiàn)對出發(fā)端的量子比特的普適邏輯門操作。這樣一來，圖態(tài)就像是一個面包板，我們將有待實施的量子電路設(shè)計出來，將每個原件插上去就可以實現(xiàn)相應(yīng)的量子操作。顯然，量子計算標(biāo)準(zhǔn)模型的難度在這里就轉(zhuǎn)化為如何高效而精確地實現(xiàn)一個超大量子比特數(shù)目的圖態(tài)上。

1.3 絕熱量子計算

絕熱量子計算最先是由MIT的Golbstone等人提出，其核心思想是通過絕熱演化的特性來等效地實現(xiàn)量子幺正變換。我們知道，在絕對零度時，如果系統(tǒng)的初態(tài)處于基態(tài)，那么絕熱地變換系統(tǒng)哈密頓量的參數(shù)，只要不出現(xiàn)基態(tài)和激發(fā)態(tài)的能級交叉，原則上體系始終處于基態(tài)。然而，系統(tǒng)演化前后的基態(tài)之間必然有一個幺正變換聯(lián)系。如果這個幺正變換恰恰就是我們所需要的幺正變換，那么量子計算也就可以通過這個絕熱過程完成。

該方案的優(yōu)點在于，在理想情況下，系統(tǒng)始終處于基態(tài)，從而不存在退相干問題；其缺點是絕熱的條件依賴于基態(tài)和第一激發(fā)態(tài)的能隙，能隙越小，所需要的絕熱演化的時間就越長，如果隨計算量的變大，絕熱演化時間指數(shù)相應(yīng)地變長，那么就失去了量子計算的意義。

近10多年來，著名刊物《Nature》和《Science》平均每個月發(fā)表一篇量子計算機研究的論文，但至今量子計算仍然未有突破性的進展。在少數(shù)量子比特的物理體系統(tǒng)中，人們成功地演示了量子計算的原理、邏輯門操作、量子編碼和量子算法等，證實量子計算的實現(xiàn)不存在原則性困難。但真正要研制出量子計算機，存在兩大主要障礙，其一是物理可擴展性問題，即如何實現(xiàn)成千上萬個量子比特，并能有效地進行相干操控；其二是容錯計算問題，即量子操作的出錯率如何能減少到低于閥值，確保計算結(jié)果的可靠性。

當(dāng)前，人們一方面尋找可擴展可容錯的量子計算體系，另一方面著手研究技術(shù)難度較低的量子仿真。量子仿真的目的就是發(fā)展出一套多體系統(tǒng)相干操控的手段，通過實驗直接操控、觀測人工多體系統(tǒng)的演化行為，為強關(guān)聯(lián)物理學(xué)等提供完美的檢測場所。量子仿真的研究很可能帶來全新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)（如新物質(zhì)態(tài)的發(fā)現(xiàn)）。

2 具有可集成性的量子計算體系的實驗進展

目前，國際學(xué)術(shù)界主流較為認可的量子計算物理體系是：量子點、超導(dǎo)、腔電動力學(xué)、離子或原子體系。

2.1 量子點體系

半導(dǎo)體量子點借鑒成熟的微加工方法，在半導(dǎo)體二維電子氣上制備成單電子晶體管，其電子服從量子力學(xué)規(guī)律，可以將電子自旋的向上和向下作為量子信息單元1和 0。這種利用半導(dǎo)體器件上的電子自旋進行量子信息處理的量子點體系被認為是最有希望成為未來量子計算機的方向之一。

從1998年D. Loss和D. P. Divincenzo提出利用量子點中的電子自旋作固態(tài)量子計算開始，國際上多個著名研究機構(gòu)在半導(dǎo)體量子點作為未來可擴展的量子計算器件的實驗研究中取得一系列重大進展。半導(dǎo)體量子點作為量子芯片應(yīng)具備的基本條件：量子比特的制備、量子邏輯門操作、量子測量和量子相干性。這些基本條件在實驗中都已成功實現(xiàn)。著名量子信息專家、美國IBM公司資深研究員D. P. Divincenzo在《Science》雜志專門發(fā)表評論，認為半導(dǎo)體量子點作為未來量子計算的元器件——量子芯片是一條真實可行的路。

盡管利用半導(dǎo)體量子點和自旋進行量子信息處理已獲得許多令人矚目的進展，但是要成為真正實用的量子芯片還有很多困難需要解決。量子芯片本質(zhì)上利用了量子相干性，而半導(dǎo)體量子點體系受周邊環(huán)境的影響比較嚴(yán)重，控制和維持其量子相干狀態(tài)遇到了更大的挑戰(zhàn)。

2.2 超導(dǎo)量子電路

超導(dǎo)量子計算的核心單元是一種被稱為 Josephson結(jié)的電子器件。按照表征量子比特的不同，Josephson 量子電路大致可劃分為電荷、磁通和相位3大類型。與原子和光子之類的天然量子體系相比，Josephson量子電路這種人工量子體系具有以下特點：

（1）Josephson量子電路中的能級結(jié)構(gòu)可以通過對電路的設(shè)計來制定，也可以通過外加的電磁信號進行調(diào)控。

（2）基于現(xiàn)有的微電子制造工藝，Josephson量子電路具有良好的可擴展性，這種可擴展性既包括Josephson量子電路之間的級聯(lián)，也包括Josephson量子電路與其他量子體系之間的耦合。

量子信息領(lǐng)域內(nèi)的多數(shù)學(xué)者認為，這些優(yōu)點使得超導(dǎo)量子電路是最具潛力、也最有可能率先實現(xiàn)有實用價值的大規(guī)模量子信息處理器的物理方案之一。目前，單量子比特邏輯門操作已在不同種類的 Josephson器件上實現(xiàn)，而雙量子比特邏輯門也陸續(xù)在不同的超導(dǎo)量子電路中完成。最近，人們在超導(dǎo)傳輸線腔、SQUID諧振子和納米機械諧振子等介觀諧振子器件方面取得了很有意義的進展。由于這些介觀諧振子體系的本征頻率都在GHz范圍，與超導(dǎo)量子比特在同一量級，因此，將不同類型的超導(dǎo)量子電路和各種諧振子器件耦合，以實現(xiàn)量子邏輯門或模擬各種量子光學(xué)現(xiàn)象得到了相當(dāng)?shù)年P(guān)注。

超導(dǎo)量子計算雖然是現(xiàn)今各種量子計算方案中發(fā)展最快、可集成電路性最好、潛力最大的方案之一，但是即便如此，現(xiàn)今超導(dǎo)量子計算仍然還處在搖籃階段，人們最多能夠?qū)崿F(xiàn)的只有1～4個量子比特的耦合，而今各種 Josephson量子電路的消相干時間處在各自的單量子比特操作時間的 102～103，距離實現(xiàn)量子糾錯編碼所需要的104次單量子比特操作的閾值仍有較大差距。未來的超導(dǎo)量子計算發(fā)展必須要解決兩個重要問題，其一是延長量子比特的相干時間；其二是改進量子比特之間的耦合方式。

2.3 離子阱體系

離子阱體系是最早嘗試實現(xiàn)量子計算的物理體系。該體系實現(xiàn)量子計算的理論方案最早由 Cirac和 Zoller于1994年提出，同年，美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)局（NIST）的實驗組開始了該方向的實驗研究。該系統(tǒng)在單、雙量子比特的實驗進展方面達到了非常高的水平。目前，主要研究集中在提高量子操控的單元技術(shù)，以達到容錯量子計算的要求；以及如何擴展該體系，實現(xiàn)多位的量子信息過程兩個方面。

離子間的庫侖斥力和軸向的諧振子勢，使得N個離子在軸向形成N個振動（聲子）模式，這些振動模式成為傳導(dǎo)離子內(nèi)態(tài)之間相互作用的“信使”。通過聲子—激光—離子三者的作用可實現(xiàn)量子信息的初態(tài)制備、操控和讀取。

目前，科學(xué)家已制備出8個離子的W態(tài)，保真度達72%，制備了6個離子的薛定諤貓態(tài)，保真度超過50.9%。為解決離子阱體系的物理可擴展性問題，人們已提出若干有效方案，據(jù)悉，美國已啟動研制 50～80量子比特的離子阱量子計算的計劃，期待有重大突破。

2.4 腔量子電動力學(xué)（QED）體系

這種類型的量子計算是基于腔模和偶極子之間的強耦合，有效地提供了光子與兩能級量子體系（原子、量子點等）之間的相互作用，實現(xiàn)兩個量子比特的可控操作。這種方案的優(yōu)勢之一是原子作為靜止量子比特，適用于存儲信息，而光子作為飛行量子比特，適合于傳遞和交換信息。而且，量子光學(xué)理論能夠精確處理腔量子電動力學(xué)的問題。

然而，從量子計算的可擴展性出發(fā)，現(xiàn)在的傳統(tǒng)光學(xué)腔也面臨很多困難，比如其品質(zhì)因數(shù)很難進一步提高，擴展多個比特需要更多的光腔，使體系變得很復(fù)雜，也無法做到集成。為此，國際上很多著名的研究小組開始將目光轉(zhuǎn)移到尋找新的光學(xué)微型腔體系。現(xiàn)在研究最為熱門的光學(xué)微腔主要有回音壁模式微腔和光子晶體缺陷微腔。以回音壁模式微腔為例，這種腔具有極高的品質(zhì)因數(shù)和較小的模式體積，可以提供更強的原子光場相干強度。此外回音壁模式的微腔加工工藝是基于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體刻蝕技術(shù)，很容易集成。目前，利用回音壁模式微腔進行量子電動力學(xué)和量子信息的研究已經(jīng)成為國際上研究的一個熱點。

光學(xué)微腔和光學(xué)F-P腔一樣，首先要實現(xiàn)的是單個原子和腔模的強耦合，這涉及到如何將單個粒子放入腔中和調(diào)諧腔模如何與粒子共振這兩個技術(shù)。迄今這兩個技術(shù)尚未獲得完滿解決。

目前，光學(xué)微腔的飛速發(fā)展以及微腔與量子點的結(jié)合，有可能在一塊硅芯片上集成固態(tài)微腔陣列，其中每個微腔里面都有與微腔強耦合的原子（量子點等其他粒子）作為量子比特，而由光波導(dǎo)中傳輸?shù)墓庾訕?gòu)成了系統(tǒng)的總線。

3 “微型曼哈頓計劃”的挑戰(zhàn)

近幾年，美國啟動了一個研究量子芯片的計劃。該計劃勢必加快量子計算機的研究進程，并將觸動國際上新一輪的激烈競爭。半導(dǎo)體芯片幾十年來一直沿著摩爾定律發(fā)展，而單位芯片上晶體管數(shù)目越來越多，而每個晶體管的尺寸越來越小，目前已經(jīng)小到一個流感病毒的大??！

同時，每個晶體管電子數(shù)目越來越少，量子效應(yīng)越來越明顯，按照傳統(tǒng)模式，人們將到達控制電子的物理極限！ 當(dāng)每個晶體管縮小到只容納一個電子，即單電子晶體管（量子點），其中的電子必然滿足量子力學(xué)的物理規(guī)律，因此芯片的可持續(xù)發(fā)展必然依賴于新一代基于量子力學(xué)的計算芯片！

量子計算是芯片突破現(xiàn)有半導(dǎo)體微電子技術(shù)物理極限的必然產(chǎn)物，將成為后摩爾時代具有標(biāo)志性的新技術(shù)和未來信息技術(shù)的戰(zhàn)略制高點。美國前總統(tǒng)布什于2006年1月31日的國情咨文中宣布了“美國競爭力計劃”，在這項富有進取心的長期舉措中，第四條為“突破技術(shù)障礙，實現(xiàn)量子信息處理技術(shù)的實際應(yīng)用”。2009年，由美國總統(tǒng)科技顧問牽頭的美國科學(xué)技術(shù)委員會發(fā)布了關(guān)于量子信息科學(xué)的聯(lián)邦報告，呼吁國家安全局、DARPA、NSF、NIST、Los Alamos和Sandia國家實驗室等多個軍事機構(gòu)一起協(xié)調(diào)開展量子計算的研究。

基于量子芯片在下一代產(chǎn)業(yè)和國家安全等方面的重要性，美國DARPA負責(zé)人Tether博士在向美國眾議院軍事委員會做報告時，將半導(dǎo)體量子芯片科技列為未來9大戰(zhàn)略研究計劃的第二位，并仿照當(dāng)年曼哈頓工程制造原子彈的成功先例，投巨資啟動“mini-Manhattan project”（微型曼哈頓計劃），集中了包括Intel、IBM公司等半導(dǎo)體界巨頭以及哈佛大學(xué)、普林斯頓大學(xué)、Sandia國家實驗室等著名研究機構(gòu)，在國家層面上組織各部門跨學(xué)科統(tǒng)籌攻關(guān)，以期占領(lǐng)未來量子計算技術(shù)的戰(zhàn)略制高點。眾所周知，DARPA常常提出意義十分重大，但富有風(fēng)險性和挑戰(zhàn)性的項目。這些看似不可能的計劃，一旦突破將產(chǎn)生巨大的效果，大大增強美國的戰(zhàn)略競爭能力，例如因特網(wǎng)、衛(wèi)星定位系統(tǒng)、隱形飛機等就是其成功的例子?，F(xiàn)在他們將目光聚焦到量子芯片的研制上，期待在量子計算技術(shù)的戰(zhàn)略競爭中搶占制高點。

日本和歐共體在美國微型曼哈頓計劃的刺激下也緊跟其后啟動類似計劃，引發(fā)了新一輪關(guān)于量子計算技術(shù)的國際競爭。

雖然中國是世界上電子計算機生產(chǎn)制造大國，也涌現(xiàn)了像神威、銀河、曙光這樣的超級計算機，但縱觀我國的微電子發(fā)展?fàn)顩r，國產(chǎn)半導(dǎo)體芯片無論在性能上，還是數(shù)量、品種上都遠遠不能滿足需要，計算機芯片依然主要依賴進口。據(jù) 2008年統(tǒng)計，我國半導(dǎo)體芯片進口額已超過石油和農(nóng)產(chǎn)品位列進口產(chǎn)品第一位！

新一輪國際戰(zhàn)略競爭的焦點是“量子芯片”，這是我國改變目前在微電子工業(yè)受制于人的被動局面的新機遇。我們不能再重蹈沒有核“芯”技術(shù)的舊轍，應(yīng)當(dāng)在起跑線上采取有力措施，參與這場關(guān)系到國家重大利益的激烈競爭。我國“中長期科技發(fā)展綱要”將“量子調(diào)控”列入重大基礎(chǔ)研究計劃，這是富有前瞻性的戰(zhàn)略布局。這個計劃的實施有力推動了量子信息這個新興高技術(shù)在我國的發(fā)展。近幾年來，我國在量子密碼技術(shù)、多光子糾纏等方面取得重要進展。中國科技大學(xué)中科院量子信息實驗室在新型材料 GeSi和石墨烯上制備的雙量子點，是研制量子芯片的基礎(chǔ)。

盡管不斷地取得研究進展，但鑒于基礎(chǔ)較弱，研究積累較薄，我國在國際主流方向上做出原創(chuàng)性的成果還很少，總體水平明顯落后于西方強國，特別是在量子計算機這個學(xué)科主流方向上，差距正日益增大。當(dāng)前美國啟動的“微型曼哈頓計劃”對我國是個嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。因此，在保持“量子調(diào)控”重大專項的基礎(chǔ)上，迫切需要另一個類似于“微型曼哈頓計劃”，有一定冒險性的專項計劃，組織國內(nèi)精銳研究隊伍，提供足夠強大的支撐，加強相關(guān)的基礎(chǔ)建設(shè)，實實在在去尋求突破，在下一代量子芯片的國際競爭中搶占戰(zhàn)略制高點。?

【作者單位：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國科學(xué)院

量子信息重點實驗室】

（摘自《中國科學(xué)院院刊》2010年5期）