如何製造一台量子計算機

首發"賽先生"公眾號。

1981年，美國物理學家費曼指出，由於量子系統具有天然的並行處理能力，用它所實現的計算機很可能會遠遠超越經典計算機。1994年，麻省理工學院的Peter Shor教授提出分解大質因數的高效量子演算法之後，量子計算就引發了世界各國政府的強烈興趣。

經過二十多年的研究，對於如何建造一台量子計算機，人們越來越清楚了。

IBM的科學家David DiVincenzo 2000年提出了建造量子計算機的5點要求和兩個輔助條件，為未來具有實用價值的量子計算機畫出了藍圖。

這5點要求是：

1. 一個能表徵量子比特並可擴展的物理系統；

2. 能夠把量子比特初始化為一個標準態，這相當於要求量子計算的輸入態是已知的；

3. 退相干相對於量子門操作時間要足夠長，這保證在系統退相干之前能夠完成整個量子計算；

4. 構造一系列普適的量子門完成量子計算；

5. 具備對量子計算的末態進行測量的能力。

兩個輔助條件是：

（一）在靜止量子比特和飛行量子比特之間實現量子信息的轉換；

（二）具備在節點間實現量子比特傳輸的能力。

讓我用通俗的話來解釋一些這五個條件。

首先，我們得找到一個物理系統用做量子比特，作為量子計算的載體。所謂量子比特是把經典信息的基本單元比特擴展到量子世界的產物。不同於經典比特，只需要0和1，量子比特實際上是定義為0態與1態的任意量子疊加態。然後，類似於經典計算機，我們需要把量子計算機初始化，也就是把所有的量子比特都重置為零態。在進行計算的過程中，錯誤和耗散是很難避免的。為此，我們需要實現量子邏輯門操作的時間遠小於量子比特的退相干時間。我們也需要讓有限量子門操作組合起來能夠實現任意的量子計算。在完成計算之後，還需要把計算結果高精度、高效率地讀出來。

可見，要實現量子計算機的第一步，就是尋找合適的材料或者系統來承載量子比特 。目前看來，離子阱、超導電路、金剛石色心和半導體量子點都是有希望用來做量子比特的如下圖所示。

圖片來源：science網站：Scientists are close to building a quantum computer that can beat a conventional one

離子阱量子計算是最成熟的技術，已經發展超過20年了。不論是量子比特初始化，量子邏輯門還是量子比特的讀出技術都發展得很好。其存儲時間也是非常長的，足夠實現超過1000個以上量子邏輯門操作。超導電路量子計算技術是最近十年發展最為迅速的技術，其相干時間十年內增加上千倍，且與現有的半導體技術是兼容的，得到了美國的IBM和谷歌公司的大筆投入。金剛石中的氮-空位中心（色心）在常溫下就具有非常好的量子相干性，但是其可擴展性問題也很嚴重，很難同時相干[HK4] 地操控多個金剛石色心。

一旦我們選定了合適的載體，在這個載體上實現了高保真度的通用量子邏輯門，並可以同時相干地操控大量的量子比特時，就打開了量子計算機實際應用的第一扇大門。

加州理工學院的John Preskill教授提出了所謂量子優越性（quantumsupremacy）的概念。他認為，當我們可以操控的量子比特數目達到50到100個時，所做出的量子計算機，其計算能力將有可能超越目前最好的經典計算機。設計出合適的演算法，就可以用這台量子計算機來完成某些特定的計算任務，解決經典計算機無法完成的問題。

目前為止，我們手頭能工作的量子計算機，只有十幾個量子比特。谷歌的科學家John Martinis預計，在今年底，他們實驗室就能做出50個量子比特的量子計算機，有望驗證量子計算機的優越性。

掌握了這個技術的信息產業公司，很可能會在競爭中獲得先機。正是因為如此，美國的谷歌公司、IBM公司，乃至中國的阿里巴巴公司都在量子信息技術上投入了大筆的資金與資源。同為信息產業的巨頭，美國微軟公司看好的是計算過程得到拓撲特性保護的量子計算。早在十幾年前，微軟就在美國的加州大學聖巴巴拉分校設立了專門研究拓撲量子計算的量子實驗室 Station Q。

為什麼微軟選擇拓撲量子計算呢？因為對於通常的量子計算機，即使實現了所謂量子優越性，也只能對某些特定的問題有計算上的優越性。要實現通用的量子計算機，所要解決的問題還有很多。第一個就是如何糾錯。我們必須設計好量子計算機的體系結構和量子比特的糾錯碼，保證其計算過程中所出現的錯誤能夠被高效地糾正，讓最終的計算結果可靠。根據容錯量子計算的理論要求，量子邏輯門和量子測量設備的保真度都必須非常高（99.9%以上），才能確保錯誤可以被糾正。

雖然要求這麼高，好消息是，到目前為止，在離子阱和超導電路系統中，量子糾錯所需要的條件基本上達到了，被糾錯機制保護的量子比特也得到了初步的演示。不過，要實現真正容錯的通用量子計算機，要解決的難關還有很多。

理論分析認為，在量子計算機中，為了實現一個可容錯的邏輯量子比特，也許需要幾百甚至上千個物理比特。對於一個包含有個邏輯比特，可以用來進行破解密碼的量子計算機來說，其中的物理比特數目可能達到以上。這簡直是個天文數字，遠遠超越了我們目前的技術能力。真要做出來的話，其佔地面積也許有一個足球場那麼大。

拓撲量子計算的思路與此完全不同，它是1997年由俄羅斯物理學家AlexKitaev提出來的，利用了物理系統某些被拓撲保護的性質，設計出拓撲量子比特和基於此的拓撲量子計算，計算過程能夠被自發地保護起來，而不出現錯誤。因此，無需再設計複雜的糾錯碼和反饋機制來糾正其錯誤。雖然這看起來很完美，可是要實現拓撲量子計算的技術難度也是最大的。到目前為止，我們還沒有在實驗室實現被拓撲保護的量子比特。最近人們很感興趣的馬約拉納費米零能模，是一個可以實現拓撲保護的系統，有望用於實現拓撲量子計算。有關馬約拉納零能模，可以讀讀祈曉亮、許岑珂和文小剛在「賽先生」上發表的文章：《量子粒子大觀：狄拉克、外爾和馬約拉納》。

雖然通用量子計算機的實現還很遙遠，但是現在已經有基於量子計算的雲服務了。如果你有興趣，可以去IBM網站上註冊一個賬號，他們在雲端免費提供一個具有5量子比特的超導量子計算機。我們可以在本地用量子計算程序語言設計好邏輯門，然後通過此服務來遠程操控IBM的量子計算機，提前體驗量子計算的樂趣。（IBM量子云服務的網址是：www.research.ibm.com/quantum/）