中國科研人的量子計(jì)算機(jī)研制之路

2016年11月18日，中科院軟件所研究員楊超與清華大學(xué)副教授薛巍、付昊桓等人聯(lián)合北京師范大學(xué)組成的研究團(tuán)隊(duì)?wèi){借在“神威·太湖之光”上運(yùn)行的“千萬核可擴(kuò)展全球大氣非靜力云分辨模擬”應(yīng)用，一舉摘下國際高性能計(jì)算應(yīng)用領(lǐng)域最高獎(jiǎng)—戈登貝爾獎(jiǎng)。同時(shí)，中科院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心基于“神威·太湖之光”的“鈦合金微結(jié)構(gòu)演化相場(chǎng)模擬”也成功入圍，獲得提名。

高性能計(jì)算能力是國家重要科技實(shí)力的體現(xiàn)，中科院、科技部率先部署和支持了高性能計(jì)算相關(guān)規(guī)劃與建設(shè)。到2016年，中國科學(xué)院高性能計(jì)算環(huán)境已為我國科研服務(wù)20年，支撐了多個(gè)國家重大規(guī)劃、千余項(xiàng)國家各類科研項(xiàng)目。

雖然中國高性能計(jì)算已經(jīng)取得了里程碑性的成績(jī)，但是科研工作者的腳步不會(huì)停止。他們已經(jīng)在思考未來的發(fā)展方向在哪里，并將目光瞄向了“天然的超級(jí)計(jì)算機(jī)”—量子計(jì)算機(jī)。

“杞人憂天”的物理學(xué)家們與量子計(jì)算機(jī)的誕生

量子計(jì)算機(jī)的誕生和著名的摩爾定律有關(guān)，還和“杞人憂天”的物理學(xué)家們有關(guān)。

眾所周知，摩爾定律的技術(shù)基礎(chǔ)是不斷提高電子芯片的集成度（單位芯片的晶體管數(shù)）。集成度不斷提高，速度就不斷加快，我們的手機(jī)、電腦就能不斷更新?lián)Q代。

20世紀(jì)80年代，摩爾定律很貼切地反映了信息技術(shù)行業(yè)的發(fā)展，但“杞人憂天”的物理學(xué)家們卻提出了一個(gè)“大煞風(fēng)景”的問題： 摩爾定律有沒有終結(jié)的時(shí)候？

之所以提出這個(gè)問題，是因?yàn)槟柖傻募夹g(shù)基礎(chǔ)天然地受到兩個(gè)主要物理限制。

一是巨大的能耗，芯片有被燒壞的危險(xiǎn)。芯片發(fā)熱主要是因?yàn)橛?jì)算機(jī)門操作時(shí)，其中不可逆門操作會(huì)丟失比特。物理學(xué)家計(jì)算出每丟失一個(gè)比特所產(chǎn)生的熱量，操作速度越快，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量就越多，計(jì)算機(jī)溫度必然迅速上升，這時(shí)必須消耗大量能量來散熱，否則芯片將被燒壞。

二是為了提高集成度，晶體管越做越小，當(dāng)小到只有一個(gè)電子時(shí)，量子效應(yīng)就會(huì)出現(xiàn)。此時(shí)電子將不再受歐姆定律管轄，由于它有隧道效應(yīng)，本來無法穿過的壁壘也穿過去了，所以量子效應(yīng)會(huì)阻礙信息技術(shù)繼續(xù)按照摩爾定律發(fā)展。

所謂隧道效應(yīng)，即由微觀粒子波動(dòng)性所確定的量子效應(yīng)，又稱勢(shì)壘貫穿。它在本質(zhì)上是量子躍遷，粒子迅速穿越勢(shì)壘。在勢(shì)壘一邊平動(dòng)的粒子，當(dāng)動(dòng)能小于勢(shì)壘高度時(shí)，按照經(jīng)典力學(xué)的說法，粒子是不可能越過勢(shì)壘的；而對(duì)于微觀粒子，量子力學(xué)卻證明它仍有一定的概率貫穿勢(shì)壘，實(shí)際上也的確如此。

這兩個(gè)限制就是物理學(xué)家們預(yù)言摩爾定律會(huì)終結(jié)的理由所在。

雖然這個(gè)預(yù)言在當(dāng)時(shí)沒有任何影響力，但“杞人憂天”的物理學(xué)家們并不“死心”，繼續(xù)研究，提出了第二個(gè)問題：如果摩爾定律終結(jié)，在后摩爾時(shí)代，提高運(yùn)算速度的途徑是什么？

這就導(dǎo)致了量子計(jì)算概念的誕生。

量子計(jì)算所遵從的薛定諤方程是可逆的，不會(huì)出現(xiàn)非可逆操作，所以耗能很??；而量子效應(yīng)正是提高量子計(jì)算并行運(yùn)算能力的物理基礎(chǔ)。

甲之砒霜，乙之蜜糖。它們對(duì)于電子計(jì)算機(jī)來說是障礙的量子效應(yīng)，對(duì)于量子計(jì)算機(jī)來說，反而成了資源。

量子計(jì)算的概念最早是1982年由美國物理學(xué)家費(fèi)曼提出的。1985年，英國物理學(xué)家又提出了“量子圖靈機(jī)”的概念，之后許多物理學(xué)家將“量子圖靈機(jī)”等效為量子的電子線路模型，并開始付諸實(shí)踐。但當(dāng)年這些概念的提出都沒有動(dòng)搖摩爾定律在信息技術(shù)領(lǐng)域的地位，因?yàn)樵谙喈?dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，摩爾定律依然在支撐著電子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度的飛速提高。

直到今年，美國政府宣布，摩爾定律終結(jié)了。微電子未來的發(fā)展是低能耗、專用這兩個(gè)方向，而不再是追求速度。

由此可見，基礎(chǔ)研究可能在當(dāng)時(shí)看不到有什么實(shí)際價(jià)值，但未來卻會(huì)發(fā)揮出巨大作用。

量子計(jì)算機(jī)雖然好，研制起來卻非常難

量子計(jì)算機(jī)和電子計(jì)算機(jī)一樣，其功用在于計(jì)算具體數(shù)學(xué)問題。不同的是，電子計(jì)算機(jī)所用的電子存儲(chǔ)器在某個(gè)時(shí)間只能存一個(gè)數(shù)據(jù)，它是確定的，操作一次就把一個(gè)比特（bit，存儲(chǔ)器最小單元）變成另一個(gè)比特，實(shí)行串行運(yùn)算模式；而量子計(jì)算機(jī)利用量子性質(zhì)，一個(gè)量子比特可以同時(shí)存儲(chǔ)兩個(gè)數(shù)值，N個(gè)量子比特可以同時(shí)存儲(chǔ)2的N次方數(shù)據(jù)，操作一次會(huì)將這個(gè)2的N次方數(shù)據(jù)變成另外一個(gè)2的N次方數(shù)據(jù)，以此類推，運(yùn)行模式為一個(gè)CPU的并行運(yùn)算模式，運(yùn)行操作能力指數(shù)上升，這是量子計(jì)算機(jī)來自量子性的優(yōu)點(diǎn)。量子計(jì)算本來就是并行運(yùn)算，所以說量子計(jì)算機(jī)天然就是“超級(jí)計(jì)算機(jī)”。

要想研制量子計(jì)算機(jī)，除了要研制芯片、控制系統(tǒng)、測(cè)量裝置等硬件外，還需要研制與之相關(guān)的軟件，包括編程、算法、量子計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)等。

一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)，數(shù)據(jù)輸入后，被編制成量子體系的初始狀態(tài)，按照量子計(jì)算機(jī)欲計(jì)算的函數(shù)，運(yùn)用相應(yīng)的量子算法和編程，編制成用于操作量子芯片中量子比特幺正操作變換，將量子計(jì)算機(jī)的初態(tài)變成末態(tài)，最后對(duì)末態(tài)實(shí)施量子測(cè)量，讀出運(yùn)算的結(jié)果。

一臺(tái)有N個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)，要保證能夠?qū)嵤┮粋€(gè)量子比特的任意操作和任意兩個(gè)量子比特的受控非操作，才能進(jìn)行由這兩個(gè)普適門操作的組合所構(gòu)成的幺正操作，完成量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算任務(wù)。這是量子芯片的基本要求。如果要超越現(xiàn)有電子計(jì)算水平，需要多于1000個(gè)量子比特構(gòu)成的芯片。目前，這還無法實(shí)現(xiàn)。這種基于“量子圖靈機(jī)”的標(biāo)準(zhǔn)量子計(jì)算是量子計(jì)算機(jī)研制的主流。

除此以外，還有其他量子計(jì)算模型，如單向量子計(jì)算、分布式量子計(jì)算，但其研制的困難程度并沒有減小。另外，還有拓?fù)淞孔佑?jì)算、絕熱量子計(jì)算等。

由于對(duì)硬件和軟件的全新要求，量子計(jì)算機(jī)的所有方面都需要重新進(jìn)行研究，這就意味著量子計(jì)算是非常重要的交叉學(xué)科，是需要不同領(lǐng)域的人共同來做才能做成的復(fù)雜工程。

把量子計(jì)算機(jī)從“垃圾桶”撿回來的量子編碼與容錯(cuò)編碼

實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算最困難的地方在于，這種宏觀量子系統(tǒng)是非常脆弱的，周圍的環(huán)境都會(huì)破壞量子相干性（消相干），一旦量子特性被破壞，將導(dǎo)致量子計(jì)算機(jī)并行運(yùn)算能力基礎(chǔ)消失，變成經(jīng)典的串行運(yùn)算。

所以，早期許多科學(xué)家認(rèn)為量子計(jì)算機(jī)只是紙上談兵，不可能被制造出來。直到后來，科學(xué)家發(fā)明了量子編碼。

量子編碼的發(fā)現(xiàn)等于把量子計(jì)算機(jī)從“垃圾桶”里又撿回來了。

采用起碼5個(gè)量子比特編碼成1個(gè)邏輯比特，可以糾正消相干引起的所有錯(cuò)誤。

不僅如此，為了避免在操作中的錯(cuò)誤，使其能夠及時(shí)糾錯(cuò)，科學(xué)家又研究容錯(cuò)編碼，在所有量子操作都可能出錯(cuò)的情況下，它仍然能夠?qū)⒄麄€(gè)系統(tǒng)糾回理想的狀態(tài)。這是非常關(guān)鍵的。

什么條件下能容錯(cuò)呢？這里有個(gè)容錯(cuò)閾值定理。每次操作，出錯(cuò)率要低于某個(gè)閾值，如果大于這個(gè)閾值，則無法容錯(cuò)。

這個(gè)閾值具體是多大呢？

這與計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)，考慮到量子計(jì)算的實(shí)際構(gòu)型問題，在一維或準(zhǔn)一維的構(gòu)型中，容錯(cuò)的閾值為10^-5，在二維情況（采用表面碼來編碼比特）中，閾值為10^-2。

目前，英國Lucas團(tuán)隊(duì)的離子阱模型、美國Martinis團(tuán)隊(duì)的超導(dǎo)模型在單、雙比特下操作精度已達(dá)到這個(gè)閾值。

所以，我們的目標(biāo)就是研制大規(guī)模具有容錯(cuò)能力的通用量子計(jì)算機(jī)。

量子計(jì)算機(jī)的“量子芯”

量子芯片的研究已經(jīng)從早期對(duì)各種可能的物理系統(tǒng)的廣泛研究，逐步聚焦到了少數(shù)物理系統(tǒng)。

20世紀(jì)90年代時(shí)，美國不知道什么樣的物理體系可以做成量子芯片，摸索了多年之后，發(fā)現(xiàn)許多體系根本不可能最終做成量子計(jì)算機(jī)，所以他們轉(zhuǎn)而重點(diǎn)支持固態(tài)系統(tǒng)。

固態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是易于集成（能夠升級(jí)量子比特?cái)?shù)目），但缺點(diǎn)是容錯(cuò)性不好，固態(tài)系統(tǒng)的消相干特別嚴(yán)重，相干時(shí)間很短，操控誤差大。

2004年以來，世界上許多著名的研究機(jī)構(gòu)，如美國哈佛大學(xué)、麻省理工學(xué)院、普林斯頓大學(xué)，日本東京大學(xué)，荷蘭Delft大學(xué)等都做了很大的努力，在半導(dǎo)體量子點(diǎn)作為未來量子芯片的研究方面取得了一系列重大進(jìn)展。最近幾年，半導(dǎo)體量子芯片的相干時(shí)間已經(jīng)提高到200微秒。

國際上，在自旋量子比特研究方面，于2012年做到兩個(gè)比特之后，一直到2015年，還是停留在四個(gè)量子點(diǎn)編碼的兩個(gè)自旋量子比特研究上，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)比特的CNOT（受控非）。

雖然國際同行關(guān)于電荷量子比特的研究比我們?cè)纾侵两褚仓蛔龅剿膫€(gè)量子點(diǎn)編碼的兩個(gè)比特。我們研究組在電荷量子比特上的研究，2010年左右制備單個(gè)量子點(diǎn)，2011年實(shí)現(xiàn)雙量子點(diǎn)，2012～2013年實(shí)現(xiàn)兩個(gè)量子點(diǎn)編碼的單量子比特， 2014～2015年實(shí)現(xiàn)四量子點(diǎn)編碼的兩個(gè)電荷量子比特。目前，已研制成六個(gè)量子點(diǎn)編碼為三個(gè)量子比特，并實(shí)現(xiàn)了三個(gè)比特量子門操作，已經(jīng)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

超導(dǎo)量子芯片要比半導(dǎo)體量子芯片發(fā)展得更快。

近幾年，科學(xué)家使用各種方法把超導(dǎo)的相干時(shí)間盡可能拉長(zhǎng)，到現(xiàn)在已達(dá)到了100多微秒。這花了13年的基礎(chǔ)研究，相干時(shí)間比原來提高了5萬倍。

超導(dǎo)量子計(jì)算在某些指標(biāo)上有更好的表現(xiàn)，比如：

1.量子退相干時(shí)間超過0.1ms，高于邏輯門操作時(shí)間1000倍以上，接近可實(shí)用化的下限。

2.單比特和兩比特門運(yùn)算的保真度分別達(dá)到99.94%和99.4%，達(dá)到量子計(jì)算理論的容錯(cuò)率閾值要求。

3.已經(jīng)實(shí)現(xiàn)9個(gè)量子比特的可控耦合。

4.在量子非破壞性測(cè)量中，達(dá)到單發(fā)測(cè)量的精度。

5.在量子存儲(chǔ)方面，實(shí)現(xiàn)超高品質(zhì)因子諧振腔。

美國從90年代到現(xiàn)在，在基礎(chǔ)研究階段超導(dǎo)領(lǐng)域的突破已經(jīng)引起了企業(yè)的重視。美國所有重大的科技公司，包括微軟、蘋果、谷歌都在量子計(jì)算機(jī)研制領(lǐng)域投入了巨大的力量，盡最大的努力來爭(zhēng)奪量子計(jì)算機(jī)這塊“巨大的蛋糕”！

其中，最典型的就是谷歌在量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的布局。它從加州大學(xué)圣芭芭拉分校高薪引進(jìn)國際上超導(dǎo)芯片做得最好的J. Matinis團(tuán)隊(duì)（23人），從事量子人工智能方面的研究。

他們制定了一個(gè)目標(biāo)—明年做到50個(gè)量子比特。定這個(gè)目標(biāo)是因?yàn)?，如果能?9個(gè)量子比特的話，在大數(shù)據(jù)處理等方面，就遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了電子計(jì)算機(jī)所有可能的能力。

整體來看，量子計(jì)算現(xiàn)在正處于“從晶體管向集成電路過渡階段”。

尚未研制成功的量子計(jì)算機(jī)，我們?nèi)杂袡C(jī)會(huì)！

很多人都問，實(shí)際可用的量子計(jì)算機(jī)究竟什么時(shí)候能做出來？

中國和歐洲估計(jì)需要15年，美國可能會(huì)更快，美國目前的發(fā)展確實(shí)也更快。

量子計(jì)算是量子信息領(lǐng)域的主流研究方向，從90年代開始，美國就在這方面花大力氣進(jìn)行研究，在硬件、軟件、材料各個(gè)方面投入巨大，并且它有完整的對(duì)量子計(jì)算研究的整體策劃，不僅各個(gè)指標(biāo)超越世界其他國家，各個(gè)大公司的積極性也被調(diào)動(dòng)了起來。

美國的量子計(jì)算機(jī)研制之路分三個(gè)階段：第一階段，由政府主導(dǎo)，主要做基礎(chǔ)研究；第二階段，企業(yè)開始投入；第三階段，加快產(chǎn)出速度。

反觀中國的量子計(jì)算機(jī)發(fā)展，明顯落后于其他國家，軟件、材料幾乎沒有人做，軟硬件是相輔相成的，材料研究也需提早做準(zhǔn)備。作為“十三五”重大科技項(xiàng)目，量子計(jì)算機(jī)應(yīng)當(dāng)“三駕馬車”一起發(fā)展，硬件、軟件、材料三個(gè)都要布局。

盡管我國的量子計(jì)算機(jī)發(fā)展落后，但量子計(jì)算機(jī)尚未研制成功，我們?nèi)杂袡C(jī)會(huì)，只是時(shí)間已越來越緊迫！只要能發(fā)揮我國制度的優(yōu)越性，集中資源，有步驟地合理布局、支持，仍然大有可為！

（本文轉(zhuǎn)自科普中國）