量子計算技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

吳根 資劍 楊濤 陳卓敏

一、關(guān)于量子計算技術(shù)

量子計算是指利用糾纏的量子態(tài)作為信息載體，利用量子態(tài)的線性迭加原理進行信息并行計算的方案；量子計算對某些問題的處理能力大大超越經(jīng)典計算。

量子計算機具有極高的并行計算能力，可以將經(jīng)典計算機幾乎不可能完成的某些計算難題，諸如大數(shù)分解、復(fù)雜路徑搜索等，在可接受的時間內(nèi)予以解決。以量子計算為基礎(chǔ)的信息處理技術(shù)的發(fā)展有望引發(fā)新的技術(shù)革命，為密碼學(xué)、大數(shù)據(jù)和機器學(xué)習(xí)、人工智能、化學(xué)反應(yīng)計算、材料設(shè)計、藥物合成等許多領(lǐng)域的研究，提供前所未有的強力手段，對未來社會的科技、經(jīng)濟、金融，以及國防安全等產(chǎn)生革命性的影響。在國際上，有人甚至將量子計算提到了“量子霸權(quán)”的高度。

二、世界發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

1982年Richard Feynman 提出利用量子計算機來模擬研究量子體系的想法。1985年David Deutsch 提出了量子圖靈機的普適量子計算機模型。

量子計算提出至今，實驗方面歷經(jīng)了從單個量子比特到約10 個量子比特（不算D-Wave 等的量子模擬或退火裝置）的發(fā)展過程。相對于最終做成實用化普適量子計算機的目標(biāo)，目前仍然處于原理演示的探索性研究階段。但近年來在超導(dǎo)量子計算、量子點量子計算、拓?fù)淞孔佑嬎愕确桨干纤〉玫倪M展，向人們展示了量子計算時代即將來臨的美好憧憬，引起了學(xué)術(shù)界、工業(yè)界和政府組織的高度重視。一些國家政府的大力推動和國際大公司的積極參與，成為了這一領(lǐng)域發(fā)展的風(fēng)向標(biāo)。

1.超導(dǎo)量子計算

超導(dǎo)量子計算是目前最被看好的量子計算方案之一。1999年首次在超導(dǎo)器件中實現(xiàn)了量子相干演化以來，超導(dǎo)量子比特和量子電 路的研究取得了快速的進展，已成為實現(xiàn)可擴展量子計算的一個優(yōu)選方案。

電路從早期的單比特電路到雙比特電路，發(fā)展到現(xiàn)在的10個量級的多比特電路；單個超導(dǎo)量子比特的量子相干保持時間-退相干時間增加了6個數(shù)量級，可以實現(xiàn)103～104個操作；量子相干操控，從早期驗證超導(dǎo)量子比特電路中的量子特性、單比特或雙比特電路上量子計算所必須的各種量子操作，發(fā)展到在包含多比特的電路上，實現(xiàn)部分量子糾錯和進行一些量子算法的演示。相信在不遠(yuǎn)的將來，專門設(shè)計的，包含幾十到100個左右量子比特的超導(dǎo)電路，可以在特定的算法上演示超越經(jīng)典大型超級計算機 的能力，實現(xiàn)所謂的“量子霸權(quán)（quantum supremacy）”。

目前，超導(dǎo)量子計算技術(shù)及其科學(xué)問題的研究，不僅得到各國 學(xué)術(shù)界的高度關(guān)注，某些國際大公司也已經(jīng)開始實質(zhì)性地支持相關(guān) 研究。

最引人注目的是谷歌將目前實力最強的超導(dǎo)量子計算研究團隊— UCSB Martinis組納入其超導(dǎo)量子計算機研制計劃，以期實現(xiàn)量子霸權(quán)。谷歌還與哈佛大學(xué)、勞倫斯伯克利國家實驗室、塔夫茨大學(xué)、倫敦大學(xué)等眾多研究機構(gòu)展開合作，期望在量子化學(xué)計算領(lǐng)域取得實質(zhì)突破。

半導(dǎo)體巨頭Intel公司，與荷蘭Delft大學(xué)Dicarlo研究組合作，將最先進的半導(dǎo)體技術(shù)結(jié)合到超導(dǎo)量子電路中，引人注目。

IBM公司和NIST合作，最近在網(wǎng)上推出5 個超導(dǎo)量子比特的“云量子計算”平臺供研究人員使用。

歐盟啟動了高達(dá)10億歐元量子計算研究計劃，以使歐洲“在量子計算研究中處于領(lǐng)先地位”，提出了“第二次量子革命”的口號，超導(dǎo)量子計算也是其中一個重要 部分。

日本NEC的實驗室最早實現(xiàn)超導(dǎo)器件量子相干演化，Riken/NEC和NTT以及東京大學(xué)的研究團隊，在超導(dǎo)量子比特研究中也做出過顯著的成果。

加拿大的D-wave公司已經(jīng)推出基于退火算法的，宣稱是超導(dǎo)量子計算機的產(chǎn)品。雖然業(yè)界對其能否具有量子加速效應(yīng)持否定的態(tài)度，但是這樣一個初創(chuàng)小公司在10年左右的時間推出可以進行快速 計算的產(chǎn)品，也說明了超導(dǎo)技術(shù)的優(yōu)勢。

2.量子點量子計算

半導(dǎo)體量子點量子計算是另一個被看好的發(fā)展方向。這個方向 上的先驅(qū)研究團隊是原哈佛大學(xué)（現(xiàn)哥本哈根）的Charles Marcus、荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的Lieven Vandersypen，日本東京大學(xué)/RIKEN的Seigo Tarucha等的研究組。

相當(dāng)長的一段時間內(nèi)半導(dǎo)體量子計算的量子比特數(shù)停留在幾個比特的水平上，但基于高純硅材料和成熟半導(dǎo)體工藝技術(shù)，有望發(fā)展出可規(guī)?；陌雽?dǎo)體量子芯片。英特爾公司于2015年宣布資助荷蘭代爾夫特理工大學(xué)QuTech量子研究所，從事硅量子點自旋量子計算等方面的研究并取得進展。

3.拓?fù)淞孔佑嬎?/h3>

拓?fù)淞孔佑嬎闶悄壳皣H上量子計算領(lǐng)域公認(rèn)的幾個主要方案之一。拓?fù)淞孔佑嬎闶窃诹孔酉到y(tǒng)整體拓?fù)湫再|(zhì)的保護下，通過非阿貝爾任意子的編織操作，實現(xiàn)對量子信息的存儲和處理，有望從根本上解決因環(huán)境噪聲導(dǎo)致的量子態(tài)退相干等問題。

拓?fù)淞孔佑嬎愕母拍钣?0世紀(jì)末提出。由于拓?fù)淞孔佑嬎慊A(chǔ)理論的重要性和可行性，一些理論先驅(qū)者獲得了狄拉克獎?wù)?、巴克利獎等多個國際學(xué)術(shù)界重要獎項。

拓?fù)淞孔佑嬎愕年P(guān)鍵是尋找遵從非阿貝爾統(tǒng)計的任意子，并構(gòu)建拓?fù)湮锢硐到y(tǒng)。我國以及美國、歐洲、日本等國家的頂尖研究機構(gòu)，已經(jīng)對此進行了大量的理論和實驗研究，提出了多種可能的實現(xiàn)方案。這些方案包括分?jǐn)?shù)量子霍爾系統(tǒng)、內(nèi)秉拓?fù)涑瑢?dǎo)體、半導(dǎo)體與超導(dǎo)的復(fù)合系統(tǒng)、量子自旋液體等。

原貝爾實驗室和微軟公司一 直在推動拓?fù)淞孔佑嬎愕难芯浚?后者還專門為此成立了研究機構(gòu)Station-Q。最初探索的重點是利用 二維電子氣的5/2等分?jǐn)?shù)量子霍爾態(tài)開展拓?fù)淞孔佑嬎?。但實驗進展一直停留在驗證5/2分?jǐn)?shù)量子霍爾態(tài)的準(zhǔn)粒子激發(fā)是否有效電荷為e/4、是否滿足非阿貝爾統(tǒng)計等問題上。由于從事這方面的研究門檻太高，對二維電子氣材料質(zhì)量和測量條件的要求太過苛刻，國際上能夠開展這方面研究的實驗組并不多。近年研究表明，在具有強自旋軌道耦合的半導(dǎo)體納米線或薄膜、拓?fù)浣^緣體、量子反?；魻栃?yīng)系統(tǒng)等體系中，通過超導(dǎo)近鄰效應(yīng)都有可能得到拓?fù)涑瑢?dǎo)態(tài)，從而實現(xiàn)具備非阿貝爾統(tǒng)計的馬約拉納準(zhǔn)粒子這種任意子。正是這些方案的提出大 大拓展了拓?fù)淞孔佑嬎銓崿F(xiàn)的可能途徑，是目前量子計算關(guān)注的焦點之一。

近年來，荷蘭、丹麥、瑞典和美國等國家，在具有強自旋軌道耦合的半導(dǎo)體納米線、拓?fù)浣^緣體和鐵原子鏈中，觀察到馬約拉納零能模存在的實驗證據(jù)，使得這個領(lǐng)域進入白熱化。我國若干研究組在拓?fù)洳牧?、半?dǎo)體納米線和磁通芯中觀察到了馬約拉納零能模。

由于拓?fù)淞孔佑嬎愕闹匾院徒陙韺嶒灧矫娴目焖龠M展，西方發(fā)達(dá)國家近期對相關(guān)研究給予了巨額資助。荷蘭投入了超過1億歐元的研究經(jīng)費，美國也啟動了名為“馬約拉納工廠”的巨型研究項目。微軟公司自21世紀(jì)初持續(xù)資助拓?fù)淞孔佑嬎惴矫娴难芯浚瑥淖畛醯姆謹(jǐn)?shù)霍爾態(tài)到現(xiàn)在的半導(dǎo)體與超導(dǎo)的復(fù)合系統(tǒng)，都在大力推動。2016年11月，他們宣布在拓?fù)淞孔佑嬎闵系耐顿Y加倍，聯(lián)合荷蘭、丹麥、瑞士、澳大利亞等國家的研究組擴展微軟的研究機構(gòu)Station Q，大力推進拓?fù)淞孔佑嬎銠C的研制。

從目前的發(fā)展趨勢看，拓?fù)淞孔佑嬎闳匀惶幵诔跗陔A段，研究基礎(chǔ)有待成熟，有望在隨后的幾年內(nèi)取得突破性進展。符合非阿貝爾統(tǒng)計馬約拉納零能模，已經(jīng)在多個系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)，眾多研究組正在尋求對其進行操控和調(diào)制，一旦成功，將實現(xiàn)第一個拓?fù)淞孔颖忍?。由于其受拓?fù)浔Ｗo的特性和可擴展性，其成功將大大推動拓?fù)淞孔佑嬎銠C的實現(xiàn)。

三、我國發(fā)展現(xiàn)狀與水平

我國研究團隊在量子計算的一些領(lǐng)域做出了有國際影響力的工 作。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的研究人員利用核磁共振量子計算的4個量子比特，演示了至今最大的143的因 子分解，用光學(xué)量子計算演示了15的分解和求解線性方程組，還成功制備了3個量子比特的半導(dǎo)體量子芯片。

隨著量子比特數(shù)的增加，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中國科學(xué)院物理研究所、浙江大學(xué)等在合作研究實現(xiàn)更大數(shù)字因子分解舒爾算法。在金剛石氮空位中心系統(tǒng)，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中國科學(xué)院物理研究所、清華大學(xué)都分別演示了簡易型Deutch算法，量子克隆和幾何邏輯門操作等量子計算基礎(chǔ)操作，以及基于動力學(xué)退耦的量子態(tài)保護。

在超導(dǎo)量子計算方面，2010年之前由于受器件微納加工和極低溫測量等研究條件的限制，國內(nèi)實驗研究進展相對緩慢。近年來，隨著投入的加大，特別是在科技部量子調(diào)控與量子信息重點專項，以及高校985項目的支持下，已有多個研究所和高校建立了較好的研究平臺。浙江大學(xué)、中科大上海研究院與中科院物理研究所緊密合作，在超導(dǎo)多比特集成系統(tǒng)方面，自行設(shè)計、制備并且高精度、高相干性測控了包含5和10比特的超導(dǎo)量子芯片，并首次利用超導(dǎo)芯片進行了HHL量子算法的初步演示；南京大學(xué)利用超導(dǎo)比特及其中的TLS首次演示了3比特糾纏，率先在超導(dǎo)量子比特中實驗實現(xiàn)了幾何相的Landau-Zener干涉，并進行了量子相變KZ機制模擬；清華大學(xué)首先利用超導(dǎo)cQED 系統(tǒng)，演示了量子Bernoulli工廠；北京計算科學(xué)中心、清華大學(xué)針對超導(dǎo)cQED系統(tǒng)開 展了系統(tǒng)研究，實驗上首先顯示了量子電磁透明和Autler-Townes劈裂的區(qū)別和過渡，以及超強耦合系統(tǒng)中多光子邊帶的觀察等；浙江大學(xué)、福州大學(xué)利用超導(dǎo)多比特器件，演示了量子延遲選擇實驗等；中科院物理所在超導(dǎo)比特系統(tǒng)中，首次演示了非（弱）耦合量子態(tài)之間利用受激拉曼通道的相干演化和量子相位擴散等物理過程。

在拓?fù)淞孔佑嬎惴矫?，北京大學(xué)團隊是國際上最早在半導(dǎo)體納米線與超導(dǎo)的復(fù)合系統(tǒng)中，觀察到馬約拉納零能模的跡象的研究組之一，最早在InAs/GaSb二維拓?fù)浣^緣體中開展相互作用下的邊緣態(tài)研究；中科院物理所最早在三維拓?fù)浣^緣體與超導(dǎo)結(jié)合的復(fù)合納米器件中，觀察到了馬約拉納束縛態(tài)跡象，率先演示了基于拓?fù)洳牧系牡谝粋€相位敏感的拓?fù)淞孔悠骷?；清華大學(xué)在世界上首次實現(xiàn)了量子反?；魻栃?yīng)，在基于量子反?；魻栃?yīng)、超導(dǎo)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的拓?fù)淞孔佑嬎銓崿F(xiàn)方面占據(jù)了先機；上海交通大學(xué)、清華大學(xué)、南京大學(xué)在三維拓?fù)浣^緣體、超導(dǎo)異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，實現(xiàn)了超導(dǎo)近鄰效應(yīng)，獲得了馬約拉納零能模存在的關(guān)鍵證據(jù)。這些工作在國際上被公認(rèn)是推動拓?fù)涑瑢?dǎo)量子態(tài)和馬約拉納零能模的奠基性成果之一。

四、我國進一步發(fā)展重點及對策建議

雖然在量子計算領(lǐng)域的個別點上，我國的科研機構(gòu)已經(jīng)取得了一些研究成果，具有一定的國際地位，但我們應(yīng)該意識到我國與美國及歐洲主要國家之間，仍然存在差距。就超導(dǎo)量子計算而言，僅實驗人員的體量方面，把國內(nèi)各單位做超導(dǎo)量子計算的研究隊伍都加起來，可能僅相當(dāng)于Google、UCSB一個團隊的體量。

量子計算的實驗研究是典型的高門檻研究，需要用到高質(zhì)量的量子材料和器件、非常精細(xì)的微納加工條件、超凈的實驗環(huán)境和極其靈敏的量子測控技術(shù)。國內(nèi)整體上研究基礎(chǔ)還比較薄弱。

當(dāng)前量子計算研究國際競爭激烈、大公司紛紛投入，在個別領(lǐng)域出現(xiàn)跨越式發(fā)展的趨勢，但總體上仍然處于探索性研究階段，哪一個方案是最優(yōu)方案還沒有塵埃落定。我們一方面要高度關(guān)注那些目前看來非常有競爭力的方案，另一方面要保持一個相對寬廣的研究面，支持不同方案的自由探索和相互競爭，做到點、面兼顧。

超導(dǎo)量子電路是眾多實現(xiàn)規(guī)?；孔佑嬎惴桨钢校容^具有優(yōu)勢的一個方案。國際上的研究顯示，利用超導(dǎo)器件，有可能在不遠(yuǎn)的將來，演示量子技術(shù)在計算方面的優(yōu)勢。雖然要實現(xiàn)通用超導(dǎo)量子計算機還有很長的路要走，但是針對專門問題的專用超導(dǎo)量子計算機或超導(dǎo)量子模擬機，很有可能在短時間內(nèi)出現(xiàn)，并付諸實際應(yīng)用。一旦獲得突破，將使我們對信息的計算和處理能力，進入一個目前技術(shù)所不能達(dá)到的全新領(lǐng)域，將會對信息技術(shù)、人工智能技術(shù)、材料設(shè)計、藥物設(shè)計等方面的發(fā)展起到革命性推動作用。這將是一個很可能會產(chǎn)生顛覆性技術(shù)的方向，將會對國家社會經(jīng)濟發(fā)展和國家安全產(chǎn)生重要影響。

面對國際上快速發(fā)展的勢頭，我國應(yīng)該在超導(dǎo)量子計算的相關(guān)領(lǐng)域加大投入，加強布局，應(yīng)對新的挑戰(zhàn)。研發(fā)的中長期目標(biāo)是能夠針對專門問題，進行計算或模擬包含數(shù)十個到100個超導(dǎo)量子比特的專用超導(dǎo)量子電路系統(tǒng)，力爭早日實現(xiàn)“量子霸權(quán)”。

拓?fù)淞孔佑嬎隳壳斑€處于基礎(chǔ)研究階段，由于其獨特的優(yōu)勢，一旦取得突破性進展，將大大加速量子計算機的建造。我們需要加強拓?fù)淞孔悠骷难兄婆c調(diào)控、新型拓?fù)淞孔硬牧系奶剿?、拓?fù)淞孔佑嬎慵夹g(shù)的發(fā)展和拓?fù)淞孔佑嬎憷碚摰臉?gòu)建等。

在這些重點方向中，我們的目標(biāo)與任務(wù)是探索更實用的新材料。結(jié)合已有的固態(tài)系統(tǒng)，利用微納加工、極低溫等技術(shù)手段，制備并研究拓?fù)淞孔釉推骷?。利用非阿貝爾任意子的編制操作，制備拓?fù)淞孔颖忍兀罱K做到集成化并實現(xiàn)拓?fù)淞孔佑嬎恪?■