容錯量子計算的一線曙光

從我學習研究量子信息科學與量子計算的那天開始，我就無數次被問到，哪一天量子計算機才能變為現實。我也無數次的問自己，存在實現量子計算機的時間表么？如果真有時間表，那麼關鍵的時間節點是什麼，我應該如何準備才能在其中做出自己的貢獻。自我審問無數次，我都沒有肯定的結論。隨著學習的深入，以及量子信息科學的發展的深入，我發現遇到的問題越來越多，實現實用的量子計算遙遙無期，是十年，二十年，還是三十年，或者五十年，我不知道。

最近，我逐漸意識到，之所以沒有信心，是因為我們還沒有實驗室證明容錯量子計算的可行性。或者說，我們還沒有做出一個存儲時間任意長時間的量子比特。容錯量子計算理論告訴我們，要得到一個存儲時間任意長的邏輯量子比特，需要至少五個物理量子比特。他們的相干時間比上量子邏輯門的運算特徵時間要足夠大（100以上），量子邏輯門的錯誤率要足夠小（最多不能超過1%）。在實驗上做出可容錯的量子信息處理晶元將會是量子計算從實驗室走向實用的起點。所謂的實現量子計算機的時間表，也只有在此之後才有意義。如果科學家無法證明容錯量子計算的可行，那麼政府或者其他大資本是不可能投入巨量的支持，讓工程師是接過科學家的接力棒，把量子計算機集成的量子比特數推向極限，從而實現實用的量子計算機的。

美國加州大學聖巴巴拉分校的馬丁內斯組最近做了一個實驗，初步達到了基於surface code量子糾錯方案所需要的實驗條件。他們集成了5個超導量子比特，驗證了完成單量子比特邏輯門的保真度超過99.9%，雙量子比特邏輯門的保真度99.4%。他們認為，驗證容錯量子計算理論應該不存在技術上的困難了。我們中國在量子信息科學領域有多年的積累，應該在這個方向上積累技術，爭取早日做出突破。在這樣一個關鍵的時間節點，作為研究量子信息與量子計算的理論學者，我又可以做些什麼呢？

推薦閱讀：