擁抱量子科技時代：量子計算的現狀與前景

【關鍵詞】量子計算? 量子科技? 量子信息處理

【中圖分類號】G322/0413? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻標識碼】A

【DOI】10.16619/j.cnki.rmltxsqy.2021.07.007

量子計算的概念

量子計算機是基于量子力學的基本原理，利用并發(fā)揮量子相干、量子糾纏及量子并行等特性，以全新的方式進行計算、編碼和信息處理任務的設備。由于量子計算機對某些特定問題的求解具有經典計算機無法比擬的強大計算和模擬能力，可以為密碼分析、氣象預報、石油勘探、藥物設計等所需的大規(guī)模計算難題提供全新的解決方案。例如，量子計算機的超快計算能力將極大縮短對基于計算復雜度的傳統(tǒng)加密算法的破解時間，從而將對現有信息安全體系造成顛覆性的影響。因此，實用化量子計算機的研制成功極有可能引發(fā)一場新的科技革命。2020年10月，習近平總書記在中共中央政治局第24次集體學習中指出：“要充分認識推動量子科技發(fā)展的重要性和緊迫性，加強量子科技發(fā)展戰(zhàn)略謀劃和系統(tǒng)布局，把握大趨勢，下好先手棋?！?/p>

量子計算的概念最早由美國物理學家R. Feynman于1981年提出[1]。Feynman預見到，量子計算機相比經典計算機更適合用來模擬量子物理系統(tǒng)的特性。1994年，美國物理學家P. Shor提出了首個量子算法[2]，證明量子計算機可以高效地解決大數分解問題，并可能破解廣泛使用的RSA公共密鑰體系，引發(fā)了全世界廣泛的關注。在此后的20多年間，該領域的理論和實驗研究快速發(fā)展，取得了一批令人矚目的成就，并在某些特定領域已經發(fā)展到接近實用化的突破臨界點。

此外，對量子計算的研究還可以擴展經典計算在各個領域的應用，觸及量子化學、材料科學，甚至機器學習等多個交叉學科。目前，通過量子-經典混合方案[3][4]，實用化的量子輔助計算已經被應用于多種量子器件。該方案結合了經典和量子計算的優(yōu)點，使用量子處理器計算系統(tǒng)在特定狀態(tài)下的物理觀測值，然后通過經典反饋優(yōu)化算法。這一混合方案可用于估計分子的基態(tài)能量[5][6]，模擬量子材料[7]，以及尋找優(yōu)化問題的近似解等[8]。

對量子計算的研究還極大地促進了量子信息處理技術水平的提高。我國與歐美等國都正在組建較大規(guī)模的長程量子密鑰分發(fā)網絡，而量子精密測量的相關技術也已經開始應用于國家安全和石油勘探等領域。雖然量子計算、量子通信和量子精密測量的側重點和發(fā)展階段各有不同，但都需要具有較長相干時間、且能在不同物理系統(tǒng)間高效轉換，從而實現量子信息長程傳輸的量子比特存儲器。這一設備不僅是實現規(guī)?？蓴U展的通用量子計算的核心部件，也可以用來制造下一代量子通訊網絡中具有高可信度的量子中繼器節(jié)點。

通用量子計算機與專用量子計算機

從設計用途角度來看，現有的量子計算機大致可以分為兩類。一類是通用量子計算機，可以通過量子邏輯門電路編程，在一定誤差范圍內執(zhí)行任意的量子算法。如IBM、Google的商用量子計算機。另一類是專用量子計算機，有時候也被稱為量子模擬器，其特點為運行特定類型的量子電路，執(zhí)行預先設定好的特定任務，不能通過量子門組合實現其他量子算法。如D-Wave公司推出的Ising模型量子退火機、我國的“九章”波色采樣量子專用機等。

通用量子計算機的主要發(fā)展目標為容錯量子計算，容錯量子計算的核心問題在于實現盡可能多的可以自己檢測錯誤與糾正錯誤的、具有自我保護功能的容錯計算單元，該計算單元一般被稱為邏輯量子比特。與之相對應，不具有完整容錯功能的計算單元，一般被稱為物理量子比特。為了實現邏輯量子比特，目前主要有兩種思路，一種是在物理量子比特基礎上，通過進一步提高操作保真度，減小邏輯門的操作與測量誤差，或者引入大量的冗余輔助物理量子比特與合適的量子糾錯編碼算法，來逐步逼近直至實現邏輯量子比特。另一種思路是從基礎材料的研究出發(fā)，尋找具有特殊容錯性質的新型量子計算載體，如基于馬約拉那費米子的拓撲量子計算方案。

目前已經搭建完成的通用量子計算設備主要由物理量子比特構成。其最重要的參數是可用于編程的量子比特數目，以及在一定誤差范圍內可連續(xù)執(zhí)行的量子邏輯門數目。目前有兩種指標可用來度量一個通用量子計算機的計算能力：量子體積（由美國IBM公司提出）或算法量子比特數（由美國IonQ公司提出）。算法量子比特數是指可用于實現量子算法的量子比特數目。量子體積是指“設備在給定的空間和時間內完成的量子計算的有用量”。影響量子體積的因素有很多，包括量子比特數量、設備連接度、相干時間、邏輯門操作和測量誤差、設備串擾以及量子電路軟件編譯器效率等。量子體積越大，量子計算機可能解決的實際復雜問題就越多。

在算法方面，量子計算被認為可以在兩類重要的問題中表現出相對經典計算機的顯著加速，包括量子搜索型算法和量子隱藏子群型算法。它們的典型代表分別為Grover算法與Shor算法。另外有一些算法——如量子計數算法——可以同時屬于這兩類。理論研究表明，Grover算法對于無結構搜索問題具有平方加速，并且很容易通過定義映射來解決諸如數獨等實際問題。此外，Grover算法的迭代振幅放大搜索過程具有鮮明的幾何意義，易于進一步分析與優(yōu)化，因此，在理論量子計算研究中有著重要地位。Shor算法在解決大整數分解問題時，相比于目前已有的所有經典算法，都具有指數級的加速。而大整數分解的困難性是目前絕大多數非對稱加密算法的基礎。在非對稱加密算法中，公鑰和加密信息都可以在公開信道中發(fā)布，而只有持有私鑰的特定收信人才能正確的解密信息。因此，這一類算法是目前基于公共網絡（非專線）進行加密通信最重要的方式。目前常用的非對稱加密算法——如RSA算法——多利用大整數分解的困難性。因此，Shor算法的實現可能讓公共網絡中的加密通信變得不再安全。假如，某國家或組織通過Shor算法實現了對目前RSA算法的高效破解，就可以肆意竊聽所有利用該算法加密的公共網絡通訊。因此，能運行大規(guī)模Shor算法的量子計算機一旦研制成功，必然會成為顛覆現有網絡通信構架的信息“核武器”。這也是許多國家大力發(fā)展量子計算機的一個重要原因。

如果說Shor算法是一柄鋒利的矛，可以刺破各種經典加密通訊，那么量子通信則是一塊不可突破的盾，可以在量子算法的破解下依然保證無條件安全。我國在早期就開始大力發(fā)展量子通信產業(yè)。目前，基于光纖的量子保密通訊已經實際用于各政府、銀行、企業(yè)的關鍵信道加密，基于“墨子號”衛(wèi)星的空天量子中繼保密通訊更是遠遠走在了國際前列。因此，即使在不遠的未來有人能研制出能夠運行大規(guī)模Shor算法的量子計算機，我國也仍然能保證關鍵通訊的安全性。

通用量子計算機以量子比特和量子門作為基本計算單元。與經典比特相比，量子比特可以處于0和1之間的任意一個疊加態(tài)。根據量子力學的基本原理，當這樣的疊加態(tài)通過一個量子門時，作用的結果也會自動線性疊加，而并不需要人為地去把疊加態(tài)系數展開，分別計算再重新疊加起來。這種利用量子態(tài)疊加等原理的計算方案，可以實現量子態(tài)層面的指數級并行計算加速。但是，由于量子態(tài)表征的只是概率分布的概率幅，如果將實際問題中確定性的輸入和輸出直接與量子態(tài)進行映射，本身就需要指數級復雜度的輸入（態(tài)制備）操作與輸出（測量）操作。這樣一來通用量子計算機的速度優(yōu)勢就被完全消解了。所以絕大多數具有實用價值的量子算法都要經過精心設計，使得問題的輸入輸出并不和量子態(tài)直接對應，而是利用量子態(tài)測量的特殊性質，構造出類似于干涉的計算過程，將原始問題的求解轉化為對干涉條紋位置的測量，以及相應的后續(xù)處理。目前來看，通用量子計算機主要擅長解決搜索類型的問題，能夠在某些經典計算機計算困難的搜索問題上實現平方級甚至指數級的加速。值得注意的是，這里指出的“搜索”是廣義的概念，既包括通常意義上無結構數據庫的搜索（原始Grover算法），也包括函數或者矩陣解空間的搜索（量子本征值求解算法，機器學習HHL算法，及基于變分法的量子化學VQE算法等），甚至還包括抽象的特殊性質子群或者整數因子的搜索（量子傅立葉變換，Shor算法等）。這些不同類型的搜索具有一個共同的特點，就是問題的輸入（待搜索空間的描述）和輸出（搜索結果）規(guī)模相對較小，而找到解的過程對于經典計算機卻是非常困難的。通俗來講，這類問題可以類比為走迷宮，求解就是尋找能走出迷宮的正確路徑，而量子計算機可以利用量子并行性高效地找到這些正確路徑。

通用量子計算機擅長解決搜索類的問題，并不是說通用量子計算機不“通用”。首先，通用量子計算機具有完整的通用計算能力。他可以通過量子Toffoli門的組合，實現所有經典可實現的計算，并能實現經典計算完成不了的可逆計算。從信息熵的角度來說，只要計算過程不可逆，就必然會產生發(fā)熱。因此，相比于經典計算機，通用量子計算機在計算理論研究領域具有極大的價值和優(yōu)勢。其次，通用量子計算機所擅長的廣義搜索問題其實涵蓋了很大一部分計算問題。最后，通用量子計算機的通用性還表現在，僅通過一組有限集合中的通用量子邏輯門的有限長度組合，我們就可以實現——或者以任意精度逼近——任意的量子邏輯門操作。這個發(fā)現從理論上保證，人們只需要集中精力研究實現一小組通用量子邏輯門，就可以實現任意的通用量子計算。這一點與經典計算機的構建過程類似，即從最基本的晶體管和最簡單的邏輯門電路出發(fā)，逐級從底層向上，直至構建出各種復雜的應用程序幫助人們解決實際問題。

關于專用量子計算機或者量子模擬器，已經有理論指出，任何只存在局域性耦合的專用量子計算機都可以通過通用量子計算機進行高效地實現[9]。因此，現有的專用量子計算機主要有兩種發(fā)展思路。第一，針對本身就需要非局域性或者全局耦合的特定問題或者量子算法進行設計。這類問題或者算法暫時無法在通用量子計算機上得到有效地實現，所以只能依靠專用量子計算機。例如，在具有長程相互作用的量子多體系統(tǒng)的模擬問題中，由于任意兩個粒子之間都存在相互作用，在代入量子力學方程中求解時，必須要對整個稠密的態(tài)空間進行求解。而根據量子力學基本原理，該系統(tǒng)的整體態(tài)空間是通過各成分粒子的態(tài)空間直積展開得到的，因此，整體態(tài)空間的維度將隨著粒子數指數增長。舉個直觀的例子，對于一個由300個單自旋粒子組成的小規(guī)模系統(tǒng)，其態(tài)空間的維度已經高達2^300～10^90，遠遠超過了可觀測宇宙中所有原子的數目（10^80）。因而，現有的計算手段都必須借助一些體系的特殊性質進行部分近似后在統(tǒng)計層面求解，并不能做到基于第一性原理的精確求解。在Feynman最初提出量子計算機的概念與設想時，他的主要動機之一就是解決這類模擬問題。事實上，Feynman說到，“自然界是量子的，那我們只能拿量子計算機去模擬它”。專用量子計算機的第二個發(fā)展思路，是在同等技術水平或成本要求下，通過犧牲一部分通用性換取更高的計算性能，從而能針對某些特定類型的問題實現更高效的計算。因此，專用量子計算機研究的關鍵在于提高可解決問題的規(guī)模，以及尋找將更多有意義的實際問題關聯到專用模型量子電路的映射。

量子“優(yōu)越性”

所謂量子“優(yōu)越性”（Quantum supremacy，也被翻譯為量子“霸權”），最初只是一個理論計算機復雜度的提法，原意是指在量子計算機上演示完成一項具有顯著量子加速的任務[10]。這里所說的“顯著量子加速”具有非常高的理論嚴格性，指的是對于某個特定問題，我們可以嚴格證明量子計算機將確定性地顯著超越（至少指數加速）所有經典算法。這里的經典算法既包括已經發(fā)現的算法，也包括尚未發(fā)現的算法。或者說，我們需要找到一個問題，先從數學上嚴格證明其經典算法的算法復雜度，再找到一個量子算法，并證明該量子算法對所有經典算法都存在至少指數級加速。

與之前提到的一些量子算法的例子相比，量子“優(yōu)越性”問題主要有兩點不同。第一，前文中的一些問題并沒有嚴格地數學證明其經典算法復雜性。例如，雖然目前所有的經典算法在計算大整數分解問題時都非常困難，但我們也不能否認高效經典算法存在的可能性。換句話說，有可能存在某個尚未被發(fā)現的大整數分解經典算法，可以和量子計算機上的Shor算法一樣快。因此，嚴格說來，我們只能說Shor算法很高效，但不能說他具有量子“優(yōu)越性”。第二，用于演示量子“優(yōu)越性”的問題不需要具有任何實際意義。這個問題完全可以是人為構造的，只是為了證明經典計算機在某些情況下一定不如量子計算機。其他的復雜問題未必可以、通常也很難歸約到這個人造問題。因此，我們需要辯證地認識和理解量子“優(yōu)越性”。量子“優(yōu)越性”的成功演示，能夠說明量子計算機具有經典計算機所不具備的計算能力，代表了我們認識上的巨大進步。同時也要清醒地看到，量子“優(yōu)越性”并不能直接地轉化為求解實際問題的能力，而且這個轉化甚至可能永遠都沒法完成。例如，Google公司在展示量子“優(yōu)越性”時采用的量子隨機電路模擬問題，以及我國“九章”量子專用機采用波色采樣模擬問題，目前都無法直接和具有應用價值的實際問題建立聯系。

通用量子計算機的物理實現

目前，可進行量子計算實驗研究的物理系統(tǒng)主要包括超導量子器件、離子阱、光子系統(tǒng)、量子點、金剛石色心、冷原子氣體、核磁共振系統(tǒng)，以及仍處于理論研究階段的拓撲量子系統(tǒng)等。這幾種系統(tǒng)在不同的問題研究中各有優(yōu)勢，也都存在亟待解決的關鍵難點。對于如何判定一種物理系統(tǒng)是否可用來實現通用量子計算，國際上一般使用DiVincenzo判據。該判據由D. P. DiVincenzo最早提出[11]，主要包含五個條件。

一是物理系統(tǒng)需要具有可掌控的量子比特，并具有可擴展性（A scalable physical system with well characterized qubits）?！翱烧瓶氐牧孔颖忍亍笔侵肝覀儾粌H能夠在物理上實現量子比特，且該量子比特的物理參數、與其他量子比特的相互作用，以及與環(huán)境的相互作用都能夠被確定性地描述。“可擴展性”是指能夠實現的量子比特數量要具有一定的規(guī)模。擁有幾百到上千個量子比特的量子計算機才真正具有比經典計算機優(yōu)越的性能，且其中所有的量子比特之間應當能夠互相分辨、單獨操作，且可以從整體上完全掌控它們的行為。

二是能夠將量子比特初始化到一個簡單的量子態(tài)（The ability to initialize the state of the qubits to a simple state）。這個條件包含兩方面的要求。第一，是量子計算機能夠被初始化。量子計算機應該能重復使用，在開始新的量子計算任務之前必須將所有量子比特置于一個己知的態(tài)。第二，要能夠滿足量子糾錯的要求，即在計算過程中可以源源不斷地提供“空白”的量子比特。

三是能在較長時間內保持量子相干性，或者說退相干時間要遠大于量子邏輯門的操作時間（Long relevant coherence time， much longer than the gate operation time）。量子比特與環(huán)境的耦合會導致其量子相干性的喪失。人們通常把量子比特退相干時間與量子邏輯門操作時間的比率稱為品質因子。要實現任何具有實際意義的量子算法，都需要量子計算機的品質因子遠遠大于一。

四是能夠進行普適的量子邏輯門操作（A universal set of quantum gates）。任意的量子幺正操作都可以通過一組普適量子邏輯門來實現。因此該條件保證了該量子計算機可以完成任意的量子計算任務。

五是能夠進行單量子比特的測量（A qubit specific measurement capability）。這個條件對應于量子信息的讀出。

除以上五條外，D. P. DiVincenzo后來又添加了兩條關于實現量子計算機網絡的要求，即本地量子比特和飛行量子比特能夠互相轉化（The ability to interconvert stationary and flying qubits），以及能夠在兩地間傳播飛行量子比特（The ability to faithfully transmit flying qubits between specified locations）。

上述兩條要求與量子網絡的研究密切相關。量子網絡與量子計算是量子信息科技里兩個相對獨立而又聯系緊密的研究分支。二者之間的關系類似于互聯網和計算機的關系。

雖然DiVincenzo判據理解起來比較直觀，但要找到一個可以滿足全部判據的實際物理系統(tǒng)卻并不容易。從技術層面看來，有些判據甚至是相互矛盾的，在設計系統(tǒng)時需要非常仔細地尋找合適的平衡點。例如，延長相干時間需要量子比特盡量“與世隔絕”，而幺正操作和強測量又要求量子比特能與量子門和探測器很好的“交流”。從DiVincenzo判據出發(fā)，我們在下表中逐一分析了各種物理實現的基本原理、特色優(yōu)勢，以及關鍵難點。

國內外研究現狀

整體發(fā)展態(tài)勢。鑒于量子計算機強大的運算和海量數據處理能力，美國、歐洲和日本等發(fā)達國家政府以及國際知名科技公司如Google、Intel、Microsoft和IBM等都發(fā)起研究計劃，斥資研發(fā)量子計算機。從上世紀90年代起，美國的多家機構如國防部高級研究計劃局（DARPA）、能源部、國家科學技術委員會（NSTC）等先后啟動了量子科技相關規(guī)劃。2016年7月，美國國家科學技術委員會發(fā)布題為《推進量子信息科學：國家的挑戰(zhàn)與機遇》的報告，重點強調發(fā)展量子計算的重要性。2018年，美國國會眾議院通過《國家量子倡議法案》。同年，美國政府在白宮舉辦量子峰會，并發(fā)布了《量子信息科學國家戰(zhàn)略概述》。2020年，白宮國家量子協調辦公室發(fā)布《美國量子網絡的戰(zhàn)略構想》和《量子前沿：量子信息科學國家戰(zhàn)略進展報告》，進一步確立了美國在該領域開展國際對抗性博弈的發(fā)展戰(zhàn)略。目前，美國聯邦政府支持量子信息科學的研發(fā)投入每年為2億美元左右。此外，多家科技公司在量子領域的投資也大幅提高。歐盟委員會于2016年發(fā)布《量子宣言：量子技術旗艦計劃》，擬在10年間投入10億歐元，進行量子通信、量子模擬、量子傳感和量子計算機方面研究。2018年，該計劃得到了進一步細化，并在基礎量子科學和云計算領域進行了擴充。

我國在量子信息領域的研究起步晚于美國，但在國際上較早形成了戰(zhàn)略部署和發(fā)展規(guī)劃，因此在進入21世紀以來基本保持在第一梯隊。2006年，《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要（2006～2020年）》將量子調控列入四個重大基礎研究計劃。2015年，“十三五”規(guī)劃進一步加強了對量子通信和量子計算領域的布局。2021年，《“十四五”規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》將量子信息確立為具有前瞻性和戰(zhàn)略性的國家重大科技項目，并提出了“加快布局量子計算、量子通信、神經芯片、DNA存儲等前沿技術”的要求。目前，我國在量子計算領域的研究水平整體上依然處于跟跑狀態(tài)，但已經形成了一個頗具發(fā)展?jié)摿Φ难芯筷犖?，在主要的物理平臺完成了全面布局，并在部分方向實現了突破。

超導量子計算機。（1）國際主要團隊和現狀。超導量子計算機方案是目前國際進展最快的方案。國際上絕大部分研究機構都在美國和歐洲，其中比較有代表性的研究組有：美國的加州大學圣巴巴拉分校、耶魯大學、麻省理工學院、美國國家標準局（NIST）、加州大學伯克利分校、馬里蘭大學、芝加哥大學，以及荷蘭的代爾夫特大學（Delft）、瑞士的蘇黎世聯邦理工學院（ETH）、日本的理化研究院等。此外，還有Google、IBM、Intel、D-wave、Rigetti為代表的20多家公司也積極參與該方向的研究。

目前，通用超導量子計算機的研制仍然處于初期的階段，主要圍繞提高廣度和深度兩個方面開展工作。廣度是可控耦合量子比特的數目，目前國際已發(fā)表的文獻中最好水平大約是20個。深度是指可以連續(xù)進行的高保真度多量子比特邏輯操作次數。對于20比特的廣度，當前最好的深度能達到40次左右。要實現實用化量子計算，廣度和深度必須同時提高、相互配合。按照理論估計，當達到50個比特50次操作以后，量子計算機的性能將接近甚至超越目前最快的經典計算機。這樣的指標有可能在3到5年內實現。

（2）國內主要團隊和現狀。我國在超導量子計算的實驗研究上起步較晚，但是近幾年通過科技部、基金委、教育部以及地方政府等相關項目的實施，培育出一批優(yōu)秀的團隊并做出了一些亮點性工作，如浙江大學、中國科學院物理研究所、中國科學技術大學三個單位聯合開展的十個超導量子比特的糾纏，清華大學在基于諧振腔光子態(tài)的量子糾錯演示，以及近期南京大學研發(fā)的超導量子模擬器等。在指標方面，我國各研究組均在快速提升。目前已發(fā)表的文獻中報道的廣度為20左右。從事超導量子計算的實驗研究團隊有：清華大學、浙江大學、南京大學、中國科學技術大學、南方科技大學、中國科學院物理研究所和北京量子信息科學研究院等。此外，阿里巴巴、騰訊、百度、華為、浪潮等科技公司也注意到超導量子計算的應用價值和發(fā)展?jié)摿?，紛紛設立相應的研發(fā)部門進行攻關。

就整體水平而言，我國與歐洲（如德國、法國、瑞士和荷蘭）和日本處在同一水平線，在部分方向略微超前。與美國的頂尖研究組相比（如耶魯大學、Google、IBM、麻省理工學院），雖然由于起步較晚，積累不足，存在一定差距，但這個差距并沒有形成代差，以現在的研究進展速度衡量，約有三年左右。在正視差距、準確定位不足的條件下，如果合理選擇技術路線和研究方法，通過戰(zhàn)略布局重點攻關，中國完全具備超車的條件。

離子阱量子計算機。（1）國際主要團隊和現狀。離子阱系統(tǒng)和超導系統(tǒng)是美國政府資助最多的兩個量子計算研究方向。除通用量子計算機以外，離子阱還被廣泛應用于量子化學、相對論量子力學、量子熱力學等領域的量子模擬研究。由于離子阱在量子物理學，特別是量子計算與量子模擬上的重要意義，發(fā)明離子阱的W. Paul獲得了1989年的諾貝爾物理獎，第一次把離子阱技術用于演示量子計算的D.Wineland獲得了2012年的諾貝爾物理獎，首次提出基于離子阱量子計算理論方案的I.Cirac和P.Zoller獲得了2013年Wolf物理獎。

在國際上，從20世紀90年代初人們首次嘗試將離子阱用于量子計算開始，離子阱量子計算的實驗研究已經過二十余年的發(fā)展。早在2011年，奧地利因斯布魯克大學R.Blatt實驗組就基于M?lmer-S?rensen方案實現了14個離子量子比特的Greenberger-Horne-Zeilinger糾纏態(tài)的創(chuàng)建。2016年，英國牛津大學D.M.Lucas實驗組使用在室溫離子阱中鈣43離子的超精細結構作為量子比特，實現了保真度分別為99.9%的兩量子比特門和99.9934%的單量子比特門，顯著高于容錯量子計算所需的99%最小閾值。最近該實驗組實現了亞微秒級別且不受囚禁頻率限制的多離子量子門，大大縮小了離子阱系統(tǒng)與超導系統(tǒng)在量子操作速度上的劣勢。2016年，美國馬里蘭大學C.Monre實驗組展示了一個五量子比特囚禁離子量子計算機，該計算機可以通過執(zhí)行任意通用量子邏輯門序列來實現任意的量子算法。他們將算法編譯成完全連接的一組硬件門操作，達到了98%的平均保真度，并在此基礎上實現了Deutsch-Jozsa和Bernstein-Vazirani算法，以及大數分解Shor算法的核心步驟量子傅里葉變換。最近他們還通過引入低溫制冷技術，在單個離子阱中成功穩(wěn)定囚禁超過100個離子（44個可尋址），并研制出含有53個量子比特的量子模擬器。

（2）國內主要團隊和現狀。國內對于離子阱量子計算機的實驗研究只有不到十年的歷史，研究團隊主要分布于清華大學、國防科技大學、中國科學技術大學、中科院精密測量院（原中科院武漢物理與數學研究所）、中國人民大學、中山大學等。2017年，清華大學交叉信息研究院研究團隊實現了四個離子量子比特的高保真度任意操控，達到世界一流水平。該團隊還成功實現相干時間超過10分鐘的單個量子比特，是迄今為止單量子比特相干時間的世界紀錄，將之前的世界紀錄提高了10倍?？傮w而言，國內大部分實驗組仍處于一到兩個比特的初期研究階段，水平有待進一步提高。但是，國內部分團隊從離子光頻標鐘精密測量方向發(fā)展而來，具有成熟的自主實驗技術基礎。且研究團隊負責人大多擁有國外一流研究組研究經歷，起點高發(fā)展快，具備在3到5年內追趕上國際一流水平的條件。

拓撲量子計算機。（1）國際主要團隊和現狀。微軟公司是國際上拓撲量子計算方案的主要推動者。2005年，該公司成立專門從事拓撲量子計算研究的Station Q研究所，并長期高額資助了世界上多個頂級的實驗室主攻拓撲量子計算科學與技術，如荷蘭代爾夫特理工大學Kouwenhoven研究組和丹麥哥本哈根大學Marcus研究組等。目前，包括美國加州大學洛杉磯分校的王康隆研究組在內的多國實驗室均發(fā)現了可以構筑拓撲量子比特的量子態(tài)跡象。微軟公司稱有望在1到2年內實現拓撲量子比特。

（2）國內主要團隊和現狀。拓撲量子計算的基礎是對拓撲量子物態(tài)和效應的研究。我國近年來在該領域取得了重大進展，整體具備世界一流水平，在某些方向處于國際領先地位。例如，清華大學的薛其坤團隊及其合作者在世界上首次實現了量子反?；魻栃?，在界面超導方面居世界領先地位，在基于量子反?；魻栃牧孔佑嬎阊芯糠较虼_立了技術優(yōu)勢和材料優(yōu)勢。上海交通大學的賈金鋒團隊在拓撲量子計算所需材料的生長上有深厚積累和國際重要成果。北京大學的杜瑞瑞團隊是量子自旋霍爾效應的國際學術領導者，該體系的拓撲特性穩(wěn)定，適合開展量子計算相關研究，并且目前的技術準備相對成熟。此外，我國在半導體納米線和分數量子霍爾效應等領域也開展了拓撲量子計算的國際前沿研究。與其他量子計算的系統(tǒng)不同，拓撲量子計算是個困難前置的方案，其實現的最大瓶頸在于拓撲量子比特的物理實現。從這個角度講，國內和國際的研究均剛剛開始，處于齊頭并進的態(tài)勢。

半導體量子點量子計算機。（1）國際主要團隊和現狀。美國休斯研究院、美國普林斯頓大學、澳大利亞國家量子計算與通信技術研究中心、荷蘭代爾夫特大學和日本東京大學等均實現了半導體兩量子比特的邏輯門操控，其中荷蘭代爾夫特大學研究組同時實現了量子算法演示，并已開始利用產業(yè)生產線進行8寸大小的工業(yè)尺寸的半導體量子芯片制造。同時Intel公司和法國CEA-Leti實驗室也開始致力于半導體量子芯片制造核心工藝技術的研發(fā)。

經過近十年的發(fā)展，國際半導體量子計算研究領域已經將獲得高質量長相干時間的量子芯片材料體系作為量子芯片研發(fā)的核心任務之一。世界范圍內以美國、澳大利亞和歐洲為代表，均專門設立了半導體量子芯片材料生長和表征團隊，為國家層面的半導體量子計算研究提供統(tǒng)一的量子芯片材料，特別是進入到硅純化的量子芯片材料生長階段，其材料生長工藝技術和材料性能已經完全不公開。

（2）國內主要團隊和現狀。國內半導體量子點量子計算機的實驗主要在中國科學技術大學的量子信息重點實驗室和北京大學開展。中國科學技術大學團隊在電荷量子比特方向先后實現了單、雙和三個量子比特的制備與邏輯門，完成了半導體量子比特邏輯單元庫的建立，同時利用微波諧振腔實現了多量子比特的擴展架構，為規(guī)?；孔有酒兄频於藞詫嵒A。研究整體處于并跑狀態(tài)，在材料和測量設備環(huán)節(jié)受控于國外技術，處于跟跑狀態(tài)。北京大學的徐洪起團隊在半導體量子點自旋量子比特的研究中，深入研究了線性多量子點中的電荷與自旋量子態(tài)的構型，實現了單電子的遠距相干傳輸，為發(fā)展與當代半導體技術工藝兼容的量子計算芯片技術奠定了基礎，成果處于該領域國際領先地位。

高質量硅基半導體量子芯片材料是半導體量子計算研制的核心材料基礎，我們必須開展專門的半導體量子芯片材料生長、表征和器件測試等相關工藝和技術開發(fā)，獲得未來量子芯片制造的核心工藝技術，為半導體量子芯片制造和未來量子計算機的研制奠定堅實的材料基礎。同時，國際半導體量子計算研究已經到了大量工程技術和產業(yè)界進入的新階段，國內整體還處于實驗室階段，需要加大工程技術和產業(yè)的投入以期加速量子計算機的研制進程。

金剛石NV色心量子計算機。（1）國際主要團隊和現狀。2008年，德國斯圖加特大學Wrachtruo研究組和美國哈佛大學Lukin研究組同時實現了NV色心在納米尺度檢測直流和交流磁場的技術，是NV色心在量子精密測量領域的首次應用。2012年，荷蘭代爾夫特技術大學Hanson研究組在NV色心系統(tǒng)中實現了Grover算法的演示。同年，多個研究組報導了利用NV色心對弱耦合C-13的探測和相干控制，將NV色心體系可控制量子比特擴展到3-6比特。2014年，Wrachtrup研究組和Hanson研究組實現了NV色心系統(tǒng)中的三比特量子糾錯算法演示。同年，Wrachtrup研究組利用最優(yōu)化控制方法，在NV色心系統(tǒng)中實現了高保真度糾纏態(tài)制備。2015年，Hanson研究組利用光學手段將相距1.3km的NV色心糾纏起來完成了Loophole-free Bell不等式檢驗，并于2017年實現了NV色心系統(tǒng)中的糾纏態(tài)。2018年，Hanson研究組在低溫條件下將NV電子自旋相干時間延長到秒量級，并探測到19個與NV耦合的C-13核自旋。

（2）國內主要團隊和現狀。近年來，國內在NV色心量子計算的研究方向進展良好。2010年，中國科學技術大學杜江峰研究組在NV色心系統(tǒng)中實現了Deutsch-Jozsa算法演示，并于2017年實現了大數分解算法演示。2013年，中科院物理所潘新宇研究組在NV色心系統(tǒng)中演示了基于動力學解耦的邏輯門控制方法。2014年，清華大學段路明研究組在NV色心體系中演示了和樂量子計算。2015年，杜江峰研究組完成了NV色心中單比特保真度0.999952和兩比特保真度0.992的量子控制，創(chuàng)造了當時量子系統(tǒng)的最高紀錄。2018年，清華大學龍桂魯研究組利用與平均哈密頓量理論相結合的最優(yōu)化控制理論，去除了環(huán)境演化對量子控制的影響，首次在NV弱耦合系統(tǒng)中實現了最優(yōu)化控制。

另外，我國在NV色心的其他研究領域——如光學方法耦合等方向的發(fā)展——落后于國際最高水平。NV色心體系中需要用到的高品質樣品（低N雜質樣品）及高品質實驗儀器（高帶寬任意波形發(fā)生器、高頻率微波源、高帶寬示波器）嚴重依賴進口?，F有的NV色心單比特控制的保真度已達到0.9999，超過了量子糾錯閾值。未來通過進一步發(fā)展控制方法，改進電子儀器的精度，我們有望實現兩比特以上操控的高保真度控制，并借助量子糾錯算法實現量子邏輯比特。此外，借助光學微腔等光學結構還可以增強NV色心發(fā)射光子的接受率，提高NV色心之間的耦合強度，并實現量子網絡。

核磁共振量子計算機。（1）國際主要團隊和現狀。核磁共振體系由于具有成熟的脈沖控制技術、長相干時間等優(yōu)點，是量子算法演示、量子系統(tǒng)模擬和量子控制方法檢驗的重要平臺，其發(fā)展出的控制方法有望方便地移植到其他量子體系中。國際上從事核磁共振量子計算的研究機構包括加拿大滑鐵盧大學，德國多特蒙特大學、英國牛津大學、印度理工大學等。該體系中目前可實現的量子比特數目可達12個。該記錄由加拿大滑鐵盧大學和清華大學聯合完成。

（2）國內主要團隊和現狀。清華大學龍桂魯研究組和中國科學技術大學杜江峰研究組處于國際領先水平。其中清華研究組不僅率先演示了包括和樂量子算法等重要實驗，發(fā)展了反饋控制優(yōu)化算法，而且利用核磁共振體系來優(yōu)化對自身系統(tǒng)的控制，提高了速度和精度。2017年10月，清華大學推出了國際上第一個基于核磁共振的量子云平臺，引起國內外的廣泛注意和報道。中科大研究組利用核磁共振系統(tǒng)完成了大數分解、H原子能級模擬、凝聚態(tài)體系量子模擬等重要的量子算法演示和量子模擬實驗。

冷原子量子計算方案。（1）國際主要團隊和現狀。美國幾乎所有頂尖大學的物理系都設有冷原子實驗研究小組，歐盟在這方面也投入很大。從2007年開始，美國國防部高等研究計劃局（DARPA）開展了為期五年的“光晶格量子模擬”項目，資助了美國最優(yōu)秀的團隊和部分歐洲一流團隊，促進了技術發(fā)展。該計劃的后續(xù)效應一直延伸到近兩年所取得的一些突破性進展，超越經典計算能力的量子模擬初露端倪。2017年，哈佛大學研究組在80個格點的系統(tǒng)中模擬了強關聯的費米子模型。這類量子模型被認為是理解高溫超導等新奇量子特性的關鍵模型。2018年，哈佛大學和麻省理工學院的聯合研究組實現了基于冷原子體系的51比特可編程量子模擬機，模擬了一類量子問題的動力學行為。

（2）國內主要團隊和現狀。冷原子物理是一個需要長期技術積累的研究方向。我國大規(guī)模的冷原子物理研究起步較晚，但近十年來，隨著投入的增加，已經建成了多個比較成熟的冷原子物理實驗室，掌握了絕大多數關鍵技術，少數最新技術也在積極跟進當中。中國科學技術大學、山西大學、香港科技大學、中國科學院武漢物數所等多家單位近年來在自旋—軌道耦合效應的量子模擬實驗研究中處于國際領先的并跑位置。清華大學實驗組近期實現的超過1萬個原子的量子糾纏，在精密測量上具有重要的應用前景。一個需要重視的現狀是目前國內冷原子實驗的關鍵儀器和設備都購自歐美。特別是高性能激光器、光電控制和探測儀器等，需要在國家層次上協調大力扶持發(fā)展。在國家保持穩(wěn)定充足支持的情況下，我們可以在十年內躋身第一集團。

光學量子計算機。（1）國際主要團隊和現狀。國際上光量子計算的主要研究團隊分布在維也納大學量子科學與技術研究中心、美國麻省理工學院電子研究實驗室、英國布里斯托大學量子光學研究中心、澳大利亞昆士蘭大學量子計算與量子通信技術研究中心等科研機構。光量子計算的研究焦點主要集中包括單光子源和多光子糾纏源在內的量子光源，以及用于調控光量子比特的量子線路。

（2）國內主要團隊和現狀。作為國內開展光量子計算的主要團隊，中國科學技術大學研究組長期以來開展了系統(tǒng)性和戰(zhàn)略性的研究，取得了一系列重要成果：在國際上首次實現五、六、八、十光子糾纏，始終保持著光子糾纏態(tài)制備的世界紀錄，同時制備了國際上綜合性能最優(yōu)的單光子源，開展了光子邏輯門、容失編碼、拓撲量子糾錯、多自由度隱形傳態(tài)等面向可擴展量子計算的研究，首次實現了Shor算法演示、任意子分數統(tǒng)計的量子模擬、求解線性方程組量子算法和量子人工智能算法等，在光學量子計算領域一直保持著國際領先地位。此外，南京大學和北京大學的研究組各自在光子芯片的研究中取得突破;山西大學研究組在連續(xù)變量光量子計算研究中也獲得一些進展。在量子光源的研究中，我國處于國際領先水平;在量子線路，特別是集成光量子線路的研究中，與國際最先進水平尚有一些差距。

近期發(fā)展趨勢

鑒于量子計算機強大的運算能力和在軍事國防、金融、信息安全、災害預報等領域的潛在應用價值，量子計算機的研發(fā)勢在必行。目前，美歐日等發(fā)達國家的政府、高校、公司，以及各種機構都紛紛介入研發(fā)，搶占科技制高點，在此方向的國際競爭已經到了白熱化的階段。

以目前的國際研究態(tài)勢，實現具有容錯能力的通用量子計算機還很遙遠，如果沒有重大理論技術創(chuàng)新，短期內很難真正實現。但是，能夠展示量子加速效應的專用量子計算機有可能在3到5年內問世。這種專用量子計算機在某些特定的算法上能夠超越目前最快的經典計算機，實現所謂的量子“優(yōu)越性”，并在一些實際問題的求解中展現出應用潛質。

由于我國在量子計算機軟硬件的研究上起步比較晚，研究基礎相對薄弱。特別是實驗條件和人才隊伍是這十幾年慢慢培養(yǎng)起來的，對實現量子計算機這個復雜的系統(tǒng)工程來說，暫時不能滿足和發(fā)達國家全面競爭的需要。但是這個差距并沒有完全拉開，在實用化量子計算機的這場國際馬拉松競賽中，中國和歐美發(fā)達國家都處于起跑階段。依靠和發(fā)揮我國長期積累的、在物理和材料等學科的研究基礎優(yōu)勢，并把這些優(yōu)勢轉化成推動力，外加合適的科技政策引導，我國有望贏得這場顛覆性的科技競賽。

注釋

[1]Feynman， R. P.， "Simulating physics with computers"， Int. J. Theor. Phys.21， 1982， pp. 467-488.

[2]Shor， P. W.， "Polynomial-Time Algorithms for Prime Factorization and Discrete Logarithms on a Quantum Computer"， SIAM J. Comput.26， 1997， pp. 1484-1509 .

[3]McClean， J. R.; Romero， J.; Babbush， R. & Aspuru-Guzik， A.， "The theory of variational hybrid quantum-classical algorithms"， New J. Phys.18， 2016， 023023.

[4]Peruzzo， A.， et al.， "A variational eigenvalue solver on a photonic quantum processor"，? Nat. Commun.5， 2014， pp. 1-7.

[5]Shen， Y.， et al.， "Quantum implementation of the unitary coupled cluster for simulating molecular electronic structure"，? Phys. Rev. A95， 2017， 020501.

[6]Kandala， A.， et al.， "Hardware-efficient variational quantum eigensolver for small molecules and quantum magnets"， Nature 549， 2017， pp. 242-246.

[7]Bauer， B.; Wecker， D.; Millis， A. J.; Hastings， M. B. & Troyer， M.， "Hybrid Quantum-Classical Approach to Correlated Materials"， Phys. Rev. X6， 2016， 031045.

[8]Farhi， E.; Goldstone， J. & Gutmann， S.， "A Quantum Approximate Optimization Algorithm"， ArXiv14114028 Quant-Ph， 2014.

[9]Lloyd， S.， "Universal Quantum Simulators"， Science 273， 1996， pp. 1073-1078.

[10]Aaronson， S. and Chen， L.， "Complexity-Theoretic Foundations of Quantum Supremacy Experiments， ArXiv161205903 Quant-Ph， 2016.

[11]DiVincenzo， D. and IBM.， "The Physical Implementation of Quantum Computation"， Fortschritte Phys. 48， 2000.

責 編/馬冰瑩

張威，中國人民大學物理學系教授、博導。研究方向為超冷量子氣體、量子信息與量子計算、強關聯電子體系。主要著作有《Towards quantum simulation of Sachdev-Ye-Kitaev model》《Experimental Determination of PT-Symmetric Exceptional Points in a Single Trapped Ion》等。