2019年量子計(jì)算發(fā)展白皮書(shū)（上）

馮曉輝 李雅琪 周斌 王翠林

當(dāng)前，人類(lèi)對(duì)量子信息技術(shù)的研究與應(yīng)用主要包括量子計(jì)算、量子通信和量子測(cè)量等。其中，量子計(jì)算是一種基于量子力學(xué)的、顛覆式的計(jì)算模式，具有遠(yuǎn)超經(jīng)典計(jì)算的強(qiáng)大計(jì)算能力，將在化學(xué)反應(yīng)計(jì)算、材料設(shè)計(jì)、藥物合成、密碼破譯、大數(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)、軍事氣象等領(lǐng)域產(chǎn)生顛覆性影響。

量子計(jì)算發(fā)展綜述量子計(jì)算的內(nèi)涵

量子信息科學(xué)的基本概述。量子信息科學(xué)是量子物理與信息科學(xué)交叉的新生學(xué)科，其物理基礎(chǔ)是量子力學(xué)。量子是構(gòu)成物質(zhì)的基本單元，是不可分割的微觀粒子的統(tǒng)稱。量子力學(xué)就是研究和描述微觀世界基本粒子結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及相互作用的一門(mén)科學(xué)。量子信息技術(shù)就是基于量子力學(xué)，通過(guò)對(duì)光子、電子等微觀粒子系統(tǒng)及其量子態(tài)進(jìn)行人工觀測(cè)和調(diào)控，借助量子疊加和量子糾纏等獨(dú)特物理現(xiàn)象，以經(jīng)典理論無(wú)法實(shí)現(xiàn)的方式獲取、傳輸和處理信息的一類(lèi)技術(shù)。

在量子信息技術(shù)中，包含量子比特、量子疊加和量子糾纏等幾個(gè)基本概念：一是量子比特。比特是計(jì)算機(jī)技術(shù)中信息量的基本度量單位，量子比特則是量子計(jì)算中的最小信息單位。一個(gè)量子比特可以表示0、1或0和1的疊加，因此其搭載的信息量遠(yuǎn)超只能表示0或1的經(jīng)典比特。二是量子疊加。指一個(gè)量子系統(tǒng)可以處在不同量子態(tài)的疊加態(tài)上。在量子系統(tǒng)中，量子態(tài)是指微觀粒子所處的一系列不連續(xù)的恒穩(wěn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在無(wú)外界觀測(cè)干擾時(shí)，量子系統(tǒng)可處于一系列量子態(tài)疊加態(tài)上，也即是著名的“薛定愕的貓”。三是量子糾纏。指微觀粒子在由兩個(gè)或兩個(gè)以上粒子組成系統(tǒng)中相互影響的現(xiàn)象。在量子系統(tǒng)中，存在量子關(guān)聯(lián)的多個(gè)粒子即使在空間上被分隔開(kāi)，也能夠相互影響運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這是量子通信等的技術(shù)基礎(chǔ)。

當(dāng)前，量子信息技術(shù)主要包括量子計(jì)算、量子通信和量子測(cè)量等三個(gè)技術(shù)領(lǐng)域。量子計(jì)算是基于量子態(tài)受控演化的一類(lèi)計(jì)算技術(shù)。量子計(jì)算具有經(jīng)典計(jì)算無(wú)法比擬的巨大信息攜帶和超強(qiáng)并行處理能力，有望成為未來(lái)幾乎所有科技領(lǐng)域加速發(fā)展的“新引擎”。量子通信利用微觀粒子的量子疊加態(tài)或量子糾纏效應(yīng)等進(jìn)行信息或密鑰傳輸，主要包括量子隱形傳態(tài)和量子密鑰分發(fā)兩類(lèi)。量子通信可大幅提升通信的安全性，將對(duì)信息安全和通信網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域產(chǎn)生重大變革和影響。量子測(cè)量可基于微觀粒子系統(tǒng)及其量子態(tài)的精密測(cè)量，完成被測(cè)系統(tǒng)物理量的執(zhí)行變換和信息輸出。量子測(cè)量主要包括時(shí)間基準(zhǔn)、慣性測(cè)量、重力測(cè)量、磁場(chǎng)測(cè)量和目標(biāo)識(shí)別等方向，其在測(cè)量精度、靈敏度和穩(wěn)定性等方面比傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)有明顯優(yōu)勢(shì)。

量子計(jì)算的基本原理與特征

量子計(jì)算以量子比特為基本單元，通過(guò)量子態(tài)的受控演化實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)計(jì)算。量子計(jì)算機(jī)就是遵循量子力學(xué)規(guī)律，基于上述原理進(jìn)行信息處理的一類(lèi)物理裝置。當(dāng)前，量子計(jì)算機(jī)可大致分為三類(lèi)：量子退火、嘈雜中型量子（NISQ）計(jì)算、容錯(cuò)型通用量子計(jì)算。

一般而言，量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算過(guò)程可以分為數(shù)據(jù)輸入、初態(tài)制備、量子邏輯門(mén)操作、量子測(cè)算和數(shù)據(jù)輸出等步驟。其中，量子邏輯門(mén)操作是一個(gè)幺正變換，這是一個(gè)可以人為控制的量子物理演化過(guò)程。對(duì)量子計(jì)算機(jī)的可用性而言，需要從量子比特?cái)?shù)、長(zhǎng)相干時(shí)間保護(hù)、高保真度量子操作等多個(gè)維度進(jìn)行綜合衡量。

與經(jīng)典計(jì)算相比，量子計(jì)算具有以下特點(diǎn)：

一是并行計(jì)算能力更強(qiáng)。一般地，描述n個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)需要2n個(gè)系數(shù)數(shù)字，當(dāng)n增大時(shí)所有狀態(tài)所需數(shù)字很大。但由于量子疊加效應(yīng)，量子計(jì)算過(guò)程中的么正變換可以對(duì)處于疊加態(tài)的所有分量同時(shí)進(jìn)行操作（也即量子并行性）。因此，量子計(jì)算機(jī)可以同時(shí)進(jìn)行多路并行運(yùn)算，這也是量子計(jì)算機(jī)超強(qiáng)信息處理能力的源泉。

二是能耗更低。當(dāng)前，經(jīng)典計(jì)算中運(yùn)算速度遇到的一大瓶頸就是能耗問(wèn)題對(duì)芯片集成度的制約。有研究表明，能耗產(chǎn)生于計(jì)算過(guò)程中的不可逆操作。直觀而言，傳統(tǒng)芯片的特征尺寸很?。〝?shù)納米）時(shí)，量子隧穿效應(yīng)開(kāi)始顯著，電子受到的束縛減小，使得芯片功能降低、能耗提高，這即是傳統(tǒng)摩爾定律面臨失效的原因。因此，必須將不可逆操作改造為可逆操作，才能大大提高芯片的集成度。相較之下，量子計(jì)算中的幺正變換屬于可逆操作，因而信息處理過(guò)程中的能耗較低，這有利于大幅提升芯片的集成度，進(jìn)而提升量子計(jì)算機(jī)算力。

量子計(jì)算的發(fā)展背景與歷程

傳統(tǒng)計(jì)算技術(shù)供給不足成為量子計(jì)算重要驅(qū)動(dòng)因素。當(dāng)前，傳統(tǒng)計(jì)算技術(shù)迭代提升面臨瓶頸，而各領(lǐng)域算力需求則快速攀升。一方面，集成電路技術(shù)在材料和制程工藝方面越來(lái)越逼近物理極限，摩爾定律日漸趨緩，傳統(tǒng)計(jì)算技術(shù)的發(fā)展面臨體系性困局。馮·諾依曼架構(gòu)數(shù)據(jù)讀寫(xiě)瓶頸日益凸顯，程序執(zhí)行時(shí)處理器在程序計(jì)數(shù)器的指引下順序讀取指令和數(shù)據(jù)，帶來(lái)高延遲、低帶寬等問(wèn)題。此外隨著數(shù)據(jù)量的日益增加，傳統(tǒng)云計(jì)算面臨網(wǎng)絡(luò)帶寬壓力、服務(wù)響應(yīng)緩慢、安全與隱私隱患、資源利用率低等諸多挑戰(zhàn)。另一方面，隨著信息化社會(huì)的飛速發(fā)展，人類(lèi)對(duì)信息處理能力的要求越來(lái)越高，低延時(shí)、低能耗、高性能的計(jì)算需求應(yīng)運(yùn)而生。多種學(xué)科的融合創(chuàng)新發(fā)展與復(fù)雜的人類(lèi)活動(dòng)催生了諸多新興計(jì)算場(chǎng)景，亟待利用新的計(jì)算技術(shù)與模式進(jìn)行分析與評(píng)估。例如，人工智能技術(shù)的導(dǎo)入，帶來(lái)海量、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理需求，同時(shí)對(duì)計(jì)算技術(shù)的解釋性、推理能力以及舉一反三能力等方面均具有較高需求。因此，傳統(tǒng)計(jì)算領(lǐng)域供給不足與需求攀升之間的矛盾愈發(fā)突日出，這成為了驅(qū)動(dòng)量子計(jì)算技術(shù)發(fā)展的重要因素之一。

量子計(jì)算技術(shù)突破隨著科技巨頭介入而提速?；诹孔恿W(xué)的量子信息科學(xué)是上世紀(jì)最為重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一，自問(wèn)世以來(lái)先后孕育出原子彈、激光、核磁共振等新技術(shù)。近年來(lái)，隨著人類(lèi)對(duì)微觀粒子系統(tǒng)觀測(cè)和調(diào)控能力的提升，利用量子力學(xué)中的疊加態(tài)和糾纏態(tài)等獨(dú)特物理特性進(jìn)行信息的采集、處理和傳輸己經(jīng)成為可能。人類(lèi)對(duì)微觀粒子系統(tǒng)的探索從“探測(cè)時(shí)代”向“調(diào)控時(shí)代”邁進(jìn)，量子信息科學(xué)因此迎來(lái)新一輪快速發(fā)展。在這一輪發(fā)展浪潮中，量子信息技術(shù)的突破點(diǎn)集中在量子計(jì)算、量子通信和量子測(cè)量等領(lǐng)域。其中，量子通信的技術(shù)難度相對(duì)較小，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程也最快，目前人類(lèi)己在積極探索基于衛(wèi)星或光纖網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)距離傳輸和廣域組網(wǎng)應(yīng)用。相比之下，量子計(jì)算尚未取得關(guān)鍵技術(shù)突破。然而，伴隨著近年來(lái)國(guó)內(nèi)外科技巨頭的大力布局，量子計(jì)算的技術(shù)突破大大加速。例如，近十年內(nèi)，在IBM、谷歌等的推動(dòng)下，量子比特?cái)?shù)量的增加速度明顯加快。尤其在近五年內(nèi)，由9位迅速提升至72位，實(shí)現(xiàn)了8倍提升。此外，圍繞量子計(jì)算的產(chǎn)業(yè)生態(tài)也初具雛形，形成了科研機(jī)構(gòu)、科技巨頭、初創(chuàng)企業(yè)協(xié)力研發(fā)，各垂直領(lǐng)域企業(yè)紛紛布局的發(fā)展態(tài)勢(shì)。

量子計(jì)算正處于技術(shù)驗(yàn)證和原理樣機(jī)研制階段。迄今為止，量子計(jì)算的發(fā)展可分為三個(gè)階段。一是20世紀(jì)90年代以前的理論探索時(shí)期。量子計(jì)算理論萌生于上世紀(jì)70年代，80年代處于基礎(chǔ)理論探索階段。1982年， Benioff提出量子計(jì)算機(jī)概念， Feynman也提出利用量子系統(tǒng)進(jìn)行信息處理的設(shè)想。1985年， Deutsch算法首次驗(yàn)證了量子計(jì)算并行性。二是20世紀(jì)90年代的編碼算法研究時(shí)期。1994和1996年，Shor算法和Grover算法分別提出。前者是一種針對(duì)整數(shù)分解問(wèn)題的量子算法，后者是一種數(shù)據(jù)庫(kù)搜索算法。這兩種量子算法在特定問(wèn)題上展現(xiàn)出優(yōu)于經(jīng)典算法的巨大優(yōu)勢(shì)，引起了科學(xué)界對(duì)量子計(jì)算的真正重視。三是21世紀(jì)以來(lái)，隨著科技企業(yè)積極布局，量子計(jì)算進(jìn)入了技術(shù)驗(yàn)證和原理樣機(jī)研制的階段。2000年， DIVincenzo提出建造量子計(jì)算機(jī)的判據(jù)。此后，加拿大D-Wave公司率先推動(dòng)量子計(jì)算機(jī)商業(yè)化，IBM、谷歌、微軟等科技巨頭也陸續(xù)開(kāi)始布局量子計(jì)算。2018年，谷歌發(fā)布了72量子位超導(dǎo)量子計(jì)算處理器芯片。2019年，IBM發(fā)布最新IBM Q System One量子計(jì)算機(jī)，提出衡量量子計(jì)算進(jìn)展的專用性能指標(biāo)——量子體積，并據(jù)此提出了“量子摩爾定律”，即量子計(jì)算機(jī)的量子體積每年增加一倍。若該規(guī)律成立，則人類(lèi)有望在 10 年內(nèi)實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)。

量子計(jì)算的應(yīng)用展望

當(dāng)前，量子計(jì)算的產(chǎn)業(yè)化仍處于最初階段。因此，在未來(lái)5～10 年內(nèi)，倘若量子計(jì)算技術(shù)未能取得跨越式突破，則其市場(chǎng)規(guī)模將較為有限。據(jù)BCC Research預(yù)測(cè)，全球量子計(jì)算市場(chǎng)規(guī)模有望于2022 年超過(guò)1.5億美元，2027年有望達(dá)到13億美元。此外，據(jù)波士頓咨詢報(bào)告，預(yù)計(jì)到2035年，全球市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到20億美元。從中遠(yuǎn)期來(lái)看，若量子計(jì)算技術(shù)迭代速度超出預(yù)期，則2035年的市場(chǎng)規(guī)?？赏黄?00億美元，2050年則有望接近3000億美元。相比之下，當(dāng)前全球計(jì)算市場(chǎng)的總規(guī)模約為8000億美元。

量子計(jì)算具有經(jīng)典計(jì)算技術(shù)難以企及的并行計(jì)算能力和信息攜帶量，有望成為滿足未來(lái)計(jì)算需求、加速科技創(chuàng)新的新引擎。在可預(yù)期的未來(lái)，量子計(jì)算機(jī)不會(huì)完全取代經(jīng)典計(jì)算機(jī)，但會(huì)依托其在并行計(jì)算、量子行為模擬等方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在算力需求極高的特定場(chǎng)景中發(fā)揮作用。例如，量子計(jì)算有望用于基礎(chǔ)科研、化工、能源、材料、人工智能、信息安全、加密通信、太空探索等領(lǐng)域，對(duì)各國(guó)科技創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)發(fā)展乃至經(jīng)濟(jì)社會(huì)的各個(gè)方面帶來(lái)顛覆性影響。

從中短期來(lái)看，量子計(jì)算主要可在量子模擬、量子優(yōu)化和量子增強(qiáng)人工智能等方面發(fā)揮作用。

量子模擬。在傳統(tǒng)計(jì)算中，由于難以精確求解方程，當(dāng)前的計(jì)算化學(xué)方法嚴(yán)重依賴近似值。相比之下，量子計(jì)算所依賴的量子力學(xué)是自然界最基本的物理原理，因此量子計(jì)算天然適于模擬各類(lèi)物理、化學(xué)過(guò)程，能夠在更長(zhǎng)時(shí)間范圍內(nèi)準(zhǔn)確模擬分子行為，因此能夠大幅提升建模精度，在生物藥物、能源材料、化工材料等領(lǐng)域提升研發(fā)效率、縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。例如，在生物醫(yī)藥領(lǐng)域，藥物研發(fā)的前、中、后期都需要大量數(shù)據(jù)計(jì)算，尤其在中期環(huán)節(jié)，需要極高的計(jì)算能力以支撐分子性質(zhì)模擬和藥品功能設(shè)計(jì)。

量子優(yōu)化。優(yōu)化問(wèn)題需要從諸多解決方案中找到最優(yōu)解，對(duì)傳統(tǒng)計(jì)算而言，在大規(guī)模物流網(wǎng)絡(luò)等復(fù)雜系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)滿足各種需求的最優(yōu)路線的計(jì)算量很大。例如，對(duì)僅有數(shù)百個(gè)集散地的物流網(wǎng)絡(luò)而言，而窮盡所有可能性，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)需要數(shù)十億年時(shí)間。量子計(jì)算則能大幅提升計(jì)算效率，從而在物流運(yùn)輸、航空旅行、交通管制、金融資產(chǎn)管理、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施等領(lǐng)域中提升運(yùn)營(yíng)效率、減少碳排放等。

量子增強(qiáng)人工智能。人工智能對(duì)算力需求的一大特征即海量異構(gòu)數(shù)據(jù)的并行計(jì)算，這也是傳統(tǒng)CPU芯片難以勝任，從而導(dǎo)致GPU、FPGA、ASIC等芯片在人工智能領(lǐng)域大受歡迎的原因。如上文所述，量子計(jì)算的超強(qiáng)算力源自量子并行，因而其十分適于進(jìn)行人工智能所需的并行計(jì)算。當(dāng)前，量子計(jì)算將量子力學(xué)理論與計(jì)算機(jī)技已經(jīng)開(kāi)始用于提升機(jī)器學(xué)習(xí)在數(shù)據(jù)聚類(lèi)等領(lǐng)域的能力。

量子計(jì)算技術(shù)與發(fā)展路線圖

量子芯片以及量子算法是研發(fā)量子計(jì)算機(jī)的兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。量子芯片即為量子計(jì)算機(jī)的物理實(shí)現(xiàn)與硬件系統(tǒng)，量子算法則是將量子計(jì)算效率最大化的軟件系統(tǒng)。

量子計(jì)算關(guān)鍵技術(shù)

量子芯片。將量子力學(xué)理論與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的概念由美國(guó)物理學(xué)家Feynman于1982年首次提出。3年后，英國(guó)牛津大學(xué)的Deutsch團(tuán)隊(duì)對(duì)量子計(jì)算機(jī)的概念進(jìn)行了進(jìn)一步闡述，并提出研究如何由量子邏輯門(mén)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)是實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算機(jī)的核心。目前，量子計(jì)算的各類(lèi)物理體系雖都取得了較大進(jìn)展，但未來(lái)哪種物理體系最終可研制成通用量子計(jì)算機(jī)尚無(wú)定論。

1.超導(dǎo)量子計(jì)算。超導(dǎo)量子計(jì)算利用超低溫“凍結(jié)”粒子的運(yùn)動(dòng)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)粒子狀態(tài)的控制，量子比特有超導(dǎo)相位、超導(dǎo)磁通和超導(dǎo)電荷三種形式。超導(dǎo)量子計(jì)算的核心單元是約瑟夫森結(jié)，約瑟夫森結(jié)是一種“超導(dǎo)體一絕緣體一超導(dǎo)體”的三層結(jié)構(gòu)。利用超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)來(lái)觀測(cè)宏觀量子現(xiàn)象最早由Leggett于1985年提出，隨后研究人員在超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)器件中陸續(xù)觀測(cè)并實(shí)現(xiàn)了能級(jí)量子化、量子隧穿、量子態(tài)疊加、量子相干振蕩等現(xiàn)象。

超導(dǎo)量子計(jì)算是目前進(jìn)展最快最好的一種固體量子計(jì)算實(shí)現(xiàn)方法。由于超導(dǎo)量子電路的能級(jí)結(jié)構(gòu)可通過(guò)外加電磁信號(hào)進(jìn)行調(diào)控，電路的設(shè)計(jì)定制的可控性強(qiáng)。同時(shí)，得益于基于現(xiàn)有的成熟集成電路工藝，超導(dǎo)量子電路具有多數(shù)量子物理體系難以比擬的可擴(kuò)展性。但是在實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)量子比特體系過(guò)程中，由于量子體系的不可封閉性，環(huán)境噪聲、磁通型偏置噪聲等大量不易操控的自由度導(dǎo)致耗散和退相干。此外，超導(dǎo)量子系統(tǒng)工作對(duì)物理環(huán)境要求極為苛刻（超低溫）均是超導(dǎo)量子計(jì)算實(shí)現(xiàn)過(guò)程中不可避免的問(wèn)題。

目前谷歌、IBM、英特爾等企業(yè)均在積極開(kāi)展超導(dǎo)量子比特實(shí)驗(yàn)研究。2018年3月3日，谷歌量子人工智能實(shí)驗(yàn)室發(fā)布狐尾松 （Bristlecone）量子處理器。該處理器可實(shí)現(xiàn)72個(gè)量子比特長(zhǎng)度上的單比特門(mén)操縱，單量子比特門(mén)最佳保真度99.9 % ，雙量子比特門(mén)的最佳保真度99.4%。

2.半導(dǎo)體量子點(diǎn)。半導(dǎo)體量子點(diǎn)也是基于現(xiàn)有半導(dǎo)體工藝的一種量子計(jì)算物理實(shí)現(xiàn)方法。在平面半導(dǎo)體電子器件上制備出的單電子晶體管，其電子服從量子力學(xué)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，電子自旋的向上和向下組成的系統(tǒng)可作為一個(gè)量子比特。根據(jù)電子的泡利不相容原理，通過(guò)自旋和電荷之間的關(guān)聯(lián)，可以通過(guò)普通的電子開(kāi)關(guān)（門(mén)）對(duì)電子自旋進(jìn)行控制，完成包括單量子比特操作、兩量子比特操作及結(jié)果的讀出等在內(nèi)的對(duì)電子自旋編碼的量子比特的各種操作。

半導(dǎo)體量子點(diǎn)體系具有良好的可擴(kuò)展性，量子點(diǎn)的原子性質(zhì)可以通過(guò)納米加工技術(shù)和晶體生長(zhǎng)技術(shù)來(lái)人為調(diào)控，比一般的量子體系更容易集成。此外，半導(dǎo)體量子點(diǎn)的制備可與現(xiàn)有半導(dǎo)體芯片工藝完全兼容，因而成熟的傳統(tǒng)半導(dǎo)體工藝可為半導(dǎo)體量子點(diǎn)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)與后續(xù)部署帶來(lái)極大便利。但是半導(dǎo)體量子點(diǎn)體系受周?chē)俗孕绊憞?yán)重，面臨退相干以及保真度不足兩大挑戰(zhàn)。

技術(shù)進(jìn)展方面，荷蘭代爾夫特大學(xué)的Kouwenhoven團(tuán)隊(duì)于2004年在半導(dǎo)體器件上首次實(shí)現(xiàn)了自旋量子比特的制備。3年后，代爾夫特大學(xué)的Vanderspyen團(tuán)隊(duì)在同一塊半導(dǎo)體量子點(diǎn)器件上實(shí)現(xiàn)了量子比特制備、量子邏輯門(mén)操作、量子相干與測(cè)量等自旋量子計(jì)算的全部基本要素。2014年新南威爾士大學(xué)獲得了退相干時(shí)間120微秒、保真度99.6%的自旋量子比特。2017年，日本理化研究所在硅鍺系統(tǒng)上獲得了退相干時(shí)間達(dá)到20微秒、保真度超過(guò)99.9%的量子比特。2018年中國(guó)科技大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)制備了半導(dǎo)體六量子點(diǎn)芯片，并實(shí)現(xiàn)了三量子比特的Toffoli門(mén)操控，成為國(guó)際上首個(gè)在半導(dǎo)體量子點(diǎn)體系中實(shí)現(xiàn)的三量子比特邏輯門(mén)。

3.離子阱量子計(jì)算。離子阱的技術(shù)原理是利用電荷與電磁場(chǎng)間的交互作用力牽制帶電粒子體運(yùn)動(dòng)，并利用受限離子的基態(tài)和激發(fā)態(tài)組成的兩個(gè)能級(jí)作為量子比特。盡管離子阱技術(shù)本身的發(fā)展可以追溯到1980年，但是利用離子阱技術(shù)實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算由奧地利因斯布魯克大學(xué)（Innsbruck）Blatt實(shí)驗(yàn)室的CirCa和Zoller于1995年首次提出。2003年，該實(shí)驗(yàn)了室實(shí)現(xiàn)利用失諧激光束照射和激光冷卻控制非門(mén)，同年該實(shí)驗(yàn)室第一次成功地利用離子阱技術(shù)實(shí)現(xiàn)了Deutsch-Jozsa算法。

離子阱量子計(jì)算具有量子比特品質(zhì)高、相干時(shí)間較長(zhǎng)以及量子比特的制備和讀出效率較高三大特點(diǎn)。然而，離子阱技術(shù)目前仍面臨四大難點(diǎn)：一是離子阱暫時(shí)難以儲(chǔ)存多條離子鏈;二是由于外加激光強(qiáng)度、頻率及相位的不穩(wěn)定，且離子對(duì)電場(chǎng)噪聲敏感導(dǎo)致的消相干問(wèn)題;三是可擴(kuò)展性差;四是體積龐大，小型化尚需時(shí)日。

目前開(kāi)展離子阱量子計(jì)算技術(shù)研究的有IonQ、NIST、ETH和SandiaNational Lab。IonQ于2018年12月11日公布了兩個(gè)新型離子阱量子計(jì)算機(jī)，具有160個(gè)存儲(chǔ)量子比特，可實(shí)現(xiàn)79個(gè)量子比特長(zhǎng)度上的單比特門(mén)操縱，11比特長(zhǎng)度上雙比特操縱。保真度方面，單比特平均保真度99%，雙比特平均保真度98%。

4.光學(xué)量子計(jì)算。光學(xué)量子計(jì)算（OQC）是基于測(cè)量的量子計(jì)算方案，利用光子的偏振或其他自由度作為量子比特，光子是一種十分理想的量子比特的載體，以常用的量子光學(xué)手段即可實(shí)現(xiàn)量子操作。光學(xué)量子計(jì)算根據(jù)其物理架構(gòu)分為兩種： KLM光學(xué)量子計(jì)算以及團(tuán)簇態(tài)光學(xué)量子計(jì)算。KLM光學(xué)量子計(jì)算僅使用單光子、線性光學(xué)和測(cè)量，允許通過(guò)和可擴(kuò)展光學(xué)量子計(jì)算，目前己經(jīng)實(shí)現(xiàn)了光子—光子之間的兩量子位的邏輯操作。團(tuán)簇態(tài)光學(xué)量子計(jì)算由一個(gè)高度糾纏的成為團(tuán)簇態(tài)的多粒子態(tài)組成，與單量子測(cè)量和前饋相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的通用量子計(jì)算，具有降低整體復(fù)雜性和放寬測(cè)量過(guò)程的物理需求，以及物理資源的更有效利用等技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

由于光子與環(huán)境相互作用很小，光學(xué)量子計(jì)算具有相干時(shí)間長(zhǎng)、操控手段簡(jiǎn)單、與光纖和集成光學(xué)技術(shù)的相容性，以及簡(jiǎn)單的資源可擴(kuò)展性等優(yōu)點(diǎn)。但也正是由于光子之間相互作用微乎其微，導(dǎo)致兩量子比特之間的邏輯門(mén)操作難以實(shí)現(xiàn)。

技術(shù)進(jìn)展方面，目前中國(guó)研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生了同時(shí)具備高系統(tǒng)效率（33%）、高純度（97%）和高全同性（90%）的高品質(zhì)單光子源和基于參量下轉(zhuǎn)換的10光子糾纏。在此基礎(chǔ)上，光學(xué)量子計(jì)算的基本操作（如概率性的控制邏輯門(mén)）和各種算法（大數(shù)分解算法、數(shù)據(jù)庫(kù)搜索、線性方程組求解算法、機(jī)器學(xué)習(xí)、波色取樣）的簡(jiǎn)單演示驗(yàn)證也己經(jīng)實(shí)現(xiàn)。在光學(xué)量子計(jì)算可集成研究方面，麻省理工學(xué)院、牛津大學(xué)、布里斯托大學(xué)、維也納大學(xué)、昆士蘭大學(xué)等小組基于硅光子學(xué)、鈮酸鋰波導(dǎo)、二氧化硅波導(dǎo)等平臺(tái)，通過(guò)刻蝕或激光直寫(xiě)等方式產(chǎn)生10個(gè)通道左右的量子線路用于少數(shù)光子數(shù)的原理性研究。單光子探測(cè)方面，美國(guó)國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)局、荷蘭代爾夫特大學(xué)等機(jī)構(gòu)以及可以生產(chǎn)同時(shí)具備高探測(cè)效率（93%），高重復(fù)頻率（150MHz）的超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器。

5.量子拓?fù)溆?jì)算。拓?fù)淞孔佑?jì)算建立在全新的計(jì)算思路之上，應(yīng)用任意子的交換相位，交換過(guò)程的“編辮”程序?qū)崿F(xiàn)量子計(jì)算的信息處理。拓?fù)鋵W(xué)研究幾何形象在幾何元素的連續(xù)變形下保持變的性質(zhì)。如果構(gòu)成量子比特的元素是拓?fù)洳蛔兊?，基于這些量子比特的運(yùn)算結(jié)果也具有拓?fù)洳蛔冃?。由此?gòu)造的量子計(jì)算對(duì)環(huán)境干擾、噪音、雜質(zhì)有很大的抵抗能力。但拓?fù)淞孔佑?jì)算尚停留在理論層面，實(shí)際上還未把這些理論付諸成器件化的現(xiàn)實(shí)。

量子算法

與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)同理，為便于控制并使用通用量子計(jì)算機(jī)，可利用量子計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言作為人與量子計(jì)算機(jī)之間的傳遞信息的媒介?，F(xiàn)有量子算法一般固化于專用量子計(jì)算設(shè)備中，如果需要改變量子算法就必須重新設(shè)計(jì)量子計(jì)算設(shè)備。因此，量子計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言將成為未來(lái)通用量子計(jì)算機(jī)算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程中必不可少的系統(tǒng)軟件。

1.舒爾算法。1994年，美國(guó)麻省理工貝爾實(shí)驗(yàn)室數(shù)學(xué)家彼得·舒爾（Peter Shor）提出了一個(gè)針對(duì)整數(shù)分解問(wèn)題的量子算法，即舒爾算法（Shor's Algorithm）。舒爾算法包含兩個(gè)部分：一是將因子分解問(wèn)題轉(zhuǎn)化成周期問(wèn)題，該部分可以用傳統(tǒng)方式實(shí)現(xiàn);二是使用量子手段來(lái)搜尋這個(gè)周期，這一部分是舒爾算法中體現(xiàn)量子加速的主要部分。

大整數(shù)分解問(wèn)題是數(shù)論中的經(jīng)典困難問(wèn)題，在舒爾算法提出之前，沒(méi)有己知算法可以在多項(xiàng)式時(shí)間內(nèi)分解大整數(shù)分解問(wèn)題。著名的公鑰密碼體制RSA正是基于大整數(shù)分解問(wèn)題的困難性來(lái)進(jìn)行加密的。據(jù)微軟研究院估計(jì)，破解2048比特強(qiáng)度的RSA密鑰可能需要當(dāng)今最快的經(jīng)典計(jì)算機(jī)耗費(fèi)10億年以上的時(shí)間，而運(yùn)行舒爾算法的量子計(jì)算機(jī)只需要不到100秒就可以完成。

舒爾算法的提出，不僅對(duì)RSA密碼體制構(gòu)成了威脅，更讓人們認(rèn)識(shí)到，量子計(jì)算具有非常強(qiáng)大的計(jì)算與應(yīng)用潛力。從而促使量子計(jì)算機(jī)的研究邁上一個(gè)新的臺(tái)階。

2.格羅弗算法。1996年，同在麻省理工貝爾實(shí)驗(yàn)室的格羅弗提出了格羅弗搜索算法（Grover's Algorithm），格羅弗算法的實(shí)現(xiàn)基于概率幅放大。與其他的量子算法相同，格羅弗算法亦是概率性的。該算法為數(shù)據(jù)庫(kù)搜索算法，數(shù)據(jù)庫(kù)相當(dāng)于是一張存有未知函數(shù)的所有輸出值的表，以對(duì)應(yīng)的輸入值為索引。

量子計(jì)算的格羅弗搜索算法遠(yuǎn)超出了經(jīng)典計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)搜索速度，但不像其他的量子算法可能會(huì)比相應(yīng)的經(jīng)典算法有指數(shù)級(jí)的加快，格羅弗算法對(duì)許多計(jì)算問(wèn)題的傳統(tǒng)算法呈現(xiàn)平方加速。即便如此，加速程度也相當(dāng)可觀，格羅弗算法可以在大約264次迭代內(nèi)窮舉破解一個(gè)128比特的對(duì)稱密鑰，在大約2128次迭代內(nèi)窮舉破解一個(gè)256比特的密鑰。

量子計(jì)算的發(fā)展路線圖

雖然國(guó)際上量子計(jì)算各種物理實(shí)現(xiàn)的原理性驗(yàn)證發(fā)展迅速，都取得了較大進(jìn)展，并且有加速現(xiàn)象，但國(guó)際上公認(rèn)短期內(nèi)無(wú)法實(shí)現(xiàn)量子通用計(jì)算機(jī)，量子計(jì)算發(fā)的發(fā)展預(yù)計(jì)將分為近期、中期與遠(yuǎn)期三個(gè)階段。

近期：量子霸權(quán)。量子霸權(quán)是指量子計(jì)算機(jī)擁有一項(xiàng)超越現(xiàn)有經(jīng)典計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，則可稱該量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)。由于目前具體實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算機(jī)仍尚有時(shí)日，但只需實(shí)現(xiàn)實(shí)用化的專屬目的的量子計(jì)算機(jī)即可帶來(lái)巨大的學(xué)術(shù)以及工業(yè)價(jià)值。隨著量子計(jì)算物理體系研究進(jìn)展不斷突破，量子霸權(quán)的實(shí)現(xiàn)正日益臨近，而稱霸標(biāo)準(zhǔn)也己成為量子計(jì)算領(lǐng)域最為重要的問(wèn)題之一，玻色采樣即為一種針對(duì)光子（玻色子）系統(tǒng)的量子霸權(quán)測(cè)試案例。但量子霸權(quán)僅為技術(shù)研發(fā)初期的的一種特有概念形式，實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)離實(shí)現(xiàn)真正的量子計(jì)算機(jī)仍將有很大距離。

中期：量子模擬機(jī)。量子模擬機(jī)利用可控的人造量子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜物理過(guò)程的高效量子模擬。目前業(yè)界主流的模擬方案有兩類(lèi)，一類(lèi)是存儲(chǔ)量子狀態(tài)的所有振幅，此類(lèi)模擬方案，基本都在超級(jí)計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)，因?yàn)榇鎯?chǔ)45比特的量子狀態(tài)需要Petabyte量級(jí)的內(nèi)存，在存儲(chǔ)這么多數(shù)據(jù)的同時(shí)對(duì)該量子態(tài)進(jìn)行操作并進(jìn)行計(jì)算，需要不斷地在不同的計(jì)算節(jié)點(diǎn)之間交換數(shù)據(jù)，這樣的通信開(kāi)銷(xiāo)對(duì)于普通云服務(wù)是難以承受的。另一類(lèi)對(duì)于任意振幅都可以迅速計(jì)算得到結(jié)果。任務(wù)拆分后可以將子任務(wù)十分均衡地分配到不同節(jié)點(diǎn)，極少的通信開(kāi)銷(xiāo)使得模擬器適配現(xiàn)在廣泛提供服務(wù)的云計(jì)算平臺(tái)。

遠(yuǎn)期：通用量子計(jì)算機(jī)。通用量子計(jì)算機(jī)通過(guò)把物理量子比特編碼成邏輯量子比特，實(shí)現(xiàn)通用的量子計(jì)算，最終在大數(shù)據(jù)處理、人工智能、密碼破譯等領(lǐng)域產(chǎn)生顛覆性影響。盡管在量子計(jì)算的某些領(lǐng)域己經(jīng)取得了進(jìn)展，但對(duì)于建造大型無(wú)計(jì)算錯(cuò)誤的通用量子計(jì)算機(jī)，目前仍存在較多技術(shù)短板，尚無(wú)法預(yù)測(cè)其具體的商用時(shí)間。未來(lái)通用量子計(jì)算機(jī)并不會(huì)直接替代景點(diǎn)計(jì)算機(jī)，甚至可能需要經(jīng)典計(jì)算機(jī)來(lái)控制它們進(jìn)行操作，并實(shí)現(xiàn)量子誤差計(jì)算修正。因此，通用量子計(jì)算機(jī)將成為與算機(jī)互補(bǔ)的特殊設(shè)備。