量子計算機了解一下

本文作者：中科院半導體所 顏相寧

「量子」一詞是如何進入大眾視野的

自2016年8月16日，由中國科學技術大學研製的世界首顆量子科學實驗通訊衛星「墨子」號成功發射上空以來，量子密鑰分發建立的一次一密的加密方式，實現了點對點方式的安全通信。作為中科院空間科學先導專項中首批確定立項研製的4顆科學實驗衛星之一，「墨子號」量子衛星的成功發射和在軌運行，不僅加速了我國廣域量子通信網路的構建，還可開展對量子力學基本問題在空間尺度的實驗檢驗，從而加深人類對量子力學的理解。

自此，「量子」一詞走進國人的視線。

2017年5月3日，中科院量子信息和量子科技創新研究院實驗室內一台由數千件元器件組成的光量子計算機的「幼兒」誕生了。中國科學技術大學潘建偉教授說，雖然這台光量子計算機的計算速度仍比較慢，但是它是未來量子計算機的雛形。未來的量子計算機將會以相對於如今的經典晶體管計算機的指數倍的運算速率來運算。

「量子」和「量子計算機」的定義

相信很多人都聽說過「薛定諤的貓」的故事。一隻貓，被放在完全密封的盒子內，在有由不確定的控制因素操縱的毒藥和食物共存的情況下，如果不打開這個盒子，這隻貓就處於一種非死非活的疊加態。這種特殊的狀態正是量子理論的特性。

那麼，究竟什麼是量子捏？

當量子和計算機結合在一起，又會擦出什麼樣的火花呢？

量子可以認為是某種物質或某個物理量的不可分割的最小單位。「量子」一詞起源於拉丁文quantus，意為「有多少」，代表「相當數量的某物質」。1900年左右，M·普朗克為試圖解決黑體輻射問題，引入「能量子」一詞，為表示能量的最小單位。在1905年，愛因斯坦將「量子」一詞引入光學，構成了「光量子」一詞。後經玻爾、德布羅意、海森堡、薛定諤、狄拉克、玻恩等科學家們的不斷完善，在20世紀的前半期，完整的量子力學理論初步建立，可用以描述微觀世界裡、用經典力學無法解釋的物理現象。

可是，量子計算機又是什麼呢？

它是一種利用量子力學原理進行數據和信息處理的機器。通俗來說，當某個裝置處理和計算的是量子信息，運行所依據的是量子演算法時，它就是量子計算機。

真正意義上的量子計算機需要滿足五個條件：

1，可拓展的量子比特。對於光量子計算機，光子的偏振態可以作為一個量子比特；對於電子，可以採用其自旋態作為一個量子比特。同時，需要明確的一個定語為「可拓展的」，即如果要具備一個20個比特的光量子比特，首先要快速產生20個光子，而且要進行相應的測量。由於真正能實現可拓展的量子力學系統較少，因此對量子產生的效率要求非常高。

2，做運算的初始條件。根據需要做的操作製備相應的態。

3，較長的相干時間。因為量子計算機加速性就是來自量子比特的相干疊加，量子比特是一個0跟1的相干疊加的，如果相干時間非常短，短到小於可操作時間，量子比特就會塌縮，變成經典比特，所以就得不到量子的加速性。

4，通用的量子邏輯門。普適性高和精度高的的通用量子邏輯門是量子計算的重要條件。目前的設計集中在量子異或門的方向上。

5，對量子比特進行測量。準確有效的測量方法能有效地輔助量子計算機的糾錯以及計算過程，保證計算機的順利運行。

以上量子計算機的條件由DiVincenzo提出，一般，滿足以上條件的計算機可稱為量子計算機。

量子計算機的進展及實現方案

量子計算的概念最早由C.H.Bennett，P. A.Benioff，D.Deutsch以及R.P.Feynman三位科學家先後提出。

1994年shor提出大數因式分解的量子並行演算法，使得人們對量子計算機未來的廣泛用途有了新的認識，也為量子計算機的研製奠定了理論基礎。

2001年，科學家在具有15個量子位的核磁共振量子計算機上成功利用秀爾演算法對15進行因式分解。

2007年2月，加拿大D-Wave系統公司宣布研製成功16位量子比特的超導量子計算機，但其作用僅限於解決一些最優化問題。

2009年11月15日，世界首台可編程的通用量子計算機正式在美國誕生。同年，英國布里斯托爾大學的科學家研製出基於量子光學的量子計算機晶元，可運行秀爾演算法。

2012年2月，IBM聲稱在超導集成電路實現的量子計算方面取得數項突破性進展。該量子晶元擁有5個量子比特。據說40個量子比特的計算機，即相當於現在一台超級計算機的性能。

2013年6月8日，由中國科學技術大學潘建偉院士領銜的量子光學和量子信息團隊首次成功實現了用量子計算機求解線性方程組的實驗，這個實驗也受到國際上的高度評價。

2017年5月3日，中國的第一台真正意義上的光量子計算機誕生於潘建偉團隊，該計算機的取樣速度相比於國際同行快了將近24000倍。

目前，國際上對量子計算機的實現方案有以下幾種：原子和光腔相互作用、冷阱束縛離子、電子或核自旋共振、量子點操縱、超導量子干涉等。冷阱束縛離子是目前研究結果較好的方案；量子點方案和超導方案更適合集成化和小型化，但是對於計算精度有一定限制。

中國科學技術大學量子實驗室的量子晶元是基於量子點系統，雖然集成的量子比特少，但這種結構擁有更好的量子邏輯門精度。中國科學技術大學潘建偉團隊認為，光子量子計算、超冷原子量子計算和超導量子計算是3個很有希望的研究方向。

量子計算機的特點

發展至今，雖然量子計算機的性能還無法與經典晶體管計算機的性能相比擬，但是對比晶體管計算機，量子計算機有望解決晶體管計算機無法避免的兩個重大問題：

1，尺寸及集成問題。隨著經典晶體管計算機的發展，兩個問題逐漸顯現並成為限制晶體管計算機發展的「瓶頸」。一是隨著晶元內晶體管尺寸的不斷縮小，量子效應逐漸代替傳統的宏觀物理原理；二是隨著晶體管集成度的不提高，計算機的高能耗以及高產熱不斷反作用於計算機的晶元，熱量反作用於晶元從而導致計算速率受到限制。

2，計算速率問題。晶體管計算機的存儲單元為比特（bit）。比特為二進位位，因此只能處於「0」態或者「1」態。而量子計算機的信息存儲單元為量子比特（qubit），其兩態可以利用電子的自旋方向或者原子的不同能級來表示。量子計算機利用量子態的疊加性質,可以實現計算能力的飛躍。現在計算機的運算單位比特只有0和1這兩種狀態,但量子計算機中可以處在0和1的疊加態上。因此N個量子比特的存儲能力是N個經典比特的2的N次方倍,隨N指數增長。對N個量子比特實行一次操作，其效果相當於對經典存儲器進行2的N次方次操作，說明量子計算機的計算速率將是2的N次方倍。

同時，晶體管計算機執行的是對單個數據元素的處理；而量子計算機執行的是對數據「集合」的處理。但是運算的基本單元的區別也導致運算過程上的巨大差異。晶體管計算機以單個元素為基本單元進行處理，因此若輸入的數據為x，則可直接得到輸出數據y；量子計算機因為是以「集合」作為數據處理的基本單元，因此若無法直接得到輸入數據x的對應值y，必須將所有的輸出值集合數據全部提取，才可找出y。但是，理論上來講，以上數據處理方式的差異並不會影響量子計算機的數據處理速率上的優勢；相反，這種特點讓量子計算機在一些特殊領域，如天氣預測方面，可以起到非常好的效果。

量子計算機的設計難點

實現量子計算機的關鍵是解決多量子糾纏的控制問題。2016年12月，中國科學技術大學潘建偉教授實現了國際上最頂尖的量子糾纏的控制技術——10光子糾纏技術。實現對光量子糾纏的操控的目的是實現數據之間的準確、快速傳遞。

理論上來說，兩個相聚一定距離的量子之間會存在一定的影響，其中一個量子的狀態發生變化，另一個量子也會產生相應的變化。這種信息的傳播方式是以超光速的速度進行的，故而量子糾纏也會產生最快速、最安全的信息傳輸方式。因此，實現對幾十至上百個量子糾纏的控制是研製量子計算機的第一步也是極其重要的一步。

但是量子系統極其脆弱。因為量子計算機中，執行運算的量子比特並非一個孤立系統，它必然會與外部環境發生相互作用。受實驗條件限制和不可避免的環境雜訊的影響，製備出來的糾纏態一般並非是最大糾纏態；同時，量子糾纏態受環境的影響會產生相干態的衰減，同時這種消相干作用也不可避免，因此純態的量子糾纏會退化成為混合態，從而失去量子糾纏的作用。使用這種混合糾纏態進行量子通信和量子計算將會導致信息失真。

因此量子計算過程中的消相干，或者是一些其他的技術原因，如量子門操作中的失誤等，相都導致運算結果出錯。

為達到更好的量子通信或量子計算效果，需要通過糾纏純化技術將混合糾纏態純化成純糾纏態或者接近純糾纏態。也需要利用量子糾錯技術將量子計算過程中的錯誤在一個量子比特的相位一致中被發現並被修復。

除了量子糾纏的問題，量子計算還面臨其他三大問題：量子演算法、量子編碼、實現量子計算的物理體系。

雖然前途仍舊渺茫，但是基於不斷取得的科研進展，科學家對於量子計算機的研製進程還是持非常樂觀的態度。

量子計算機的前景展望

「我認為10年之內做到100個量子比特的操縱沒有問題，它的計算能力可以達到現在全世界計算能力總和的百萬倍。」潘建偉自信地說。

量子計算機，彷彿遠在天邊，卻又近在眼前。也許實現量子計算機由5量子比特到50量子比特的跨越還有一段距離，也許由專用的量子計算機到通用的量子計算機之間也有貌似不可逾越的鴻溝。

但是無論10年之內能否研製其出性能碾壓當代超級計算機的量子計算機，目前對量子計算機的研究都是科學家正在全力以赴地努力的事情。而未來通用型量子計算機的問世，也必將對人類社會產生革命性的影響。

小夥伴們，對於量子計算機，你有什麼期待和展望嗎？

讀完了，親，是不是覺得此篇科普確實敲正經呢？？

參考文獻：

[1] 馬雷. 量子計算機研究與前景簡介[J]. 物理教學,2017,39(03):2-4+8.

[2] 張建奮. 量子計算機的概念原理與展望[J]. 物理通報,2015,(04):125-128.

[3] 於小鋒. 量子計算機研製的現狀和面臨的技術困難[J]. 信息通信,2011,(04):9-10.

[4] 王潮,王雲江,胡風. 量子計算機的商業化進展及對信息安全的挑戰[J]. 網路與信息安全學報,2016,2(03):17-27.

[5] 吳楠,宋方敏,LIXiang-Dong. 通用量子計算機:理論、組成與實現[J]. 計算機學報,2016,39(12):2429-2445.

[6] 韓哲欣,谷國太,肖漢. 量子計算機的研究與應用[J]. 河南科學,2015,33(09):1559-1563.

[7] 郭光燦,周正威,郭國平,塗濤. 量子計算機的發展現狀與趨勢[J]. 中國科學院院刊,2010,25(05):516-524.

[8] 量子計算機基本原理是什麼，又長什麼樣,http://tech.163.com/17/0504/15/CJJR7EHB00097U7R.html.

[9] 1000字看懂IBM量子計算機原理,http://www.sohu.com/a/74236605_393028.

[10] 量子計算機,https://baike.baidu.com/item/%E9%87%8F%E5%AD%90%E8%AE%A1%E7%AE%97%E6%9C%BA/363335?fr=aladdin.

[11] 15張圖告訴你首台光量子計算機有多牛,http://www.edu.cn/rd/zui_jin_geng_xin/201705/t20170504_1512717.shtml.

[12] 量子,https://baike.baidu.com/item/%E9%87%8F%E5%AD%90/135660?fr=aladdin.

[13] 量子糾纏,https://baike.baidu.com/item/%E9%87%8F%E5%AD%90%E7%BA%A0%E7%BC%A0/1714985?fr=aladdin.

[14] 5分鐘搞懂量子計算到底是什麼鬼東東？, http://www.sohu.com/a/118262556_465914.

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