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量子計(jì)算機(jī)：現(xiàn)狀與進(jìn)展
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編者按：什么是量子計(jì)算？什么是量子計(jì)算機(jī)？量子計(jì)算將對未來計(jì)算產(chǎn)生怎樣的影響？本期我們有幸邀請到了量子領(lǐng)域的專家段路明老師和吳宇愷老師談?wù)劻孔佑?jì)算機(jī)的發(fā)展，一起來看看吧~
概念突破：量子計(jì)算機(jī)的原理與發(fā)展
量子計(jì)算機(jī)是一種基于量子力學(xué)原理進(jìn)行運(yùn)算的新型計(jì)算機(jī)。
在現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)（稱為經(jīng)典計(jì)算機(jī)）中，信息以二進(jìn)制的比特的形式進(jìn)行存儲和操作，每一個(gè)比特可以處于0或1的狀態(tài)。類似地，在量子計(jì)算機(jī)中，基本的信息存儲單元（稱為量子比特）也具有0和1兩種狀態(tài)。但是不同于經(jīng)典計(jì)算機(jī)的比特，量子比特可以同時(shí)處于0和1的狀態(tài)，這稱為一個(gè)疊加態(tài)。兩個(gè)量子比特可以同時(shí)處于00、01、10、11這四個(gè)狀態(tài)的疊加態(tài)；依此類推，n個(gè)量子比特可以同時(shí)處于2n個(gè)狀態(tài)的疊加態(tài)。
對于這樣n個(gè)量子比特的系統(tǒng)進(jìn)行一系列量子邏輯門操作，就相當(dāng)于同時(shí)對所有2n種狀態(tài)進(jìn)行操作，這被稱為量子并行，解釋了量子計(jì)算機(jī)能產(chǎn)生指數(shù)加速的原因。
當(dāng)然，由于量子力學(xué)原理對于量子態(tài)測量等的限制，量子計(jì)算機(jī)并不是在所有問題上都能簡單地獲得加速。我們?nèi)匀恍枰擅畹卦O(shè)計(jì)量子算法，在不同的疊加態(tài)之間進(jìn)行量子干涉，從而實(shí)現(xiàn)指數(shù)或多項(xiàng)式級別的量子加速。著名的例子有Shor的質(zhì)因數(shù)分解和離散對數(shù)算法、Grover的量子搜索算法等。通過加速各類復(fù)雜的計(jì)算問題，未來的大規(guī)模通用量子計(jì)算機(jī)將有望應(yīng)用于信息安全、新材料模擬、藥物研發(fā)、工程優(yōu)化、人工智能等領(lǐng)域。
量子計(jì)算領(lǐng)域的首要研究任務(wù)是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的通用量子計(jì)算機(jī)。目前用于實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)的物理系統(tǒng)主要有離子阱、超導(dǎo)電路、冷原子、光子、拓?fù)洳牧?、固體自旋、半導(dǎo)體量子點(diǎn)這7種技術(shù)路線，其中尤以離子阱和超導(dǎo)電路這兩種路線在量子比特?cái)?shù)和量子邏輯門的精確度等關(guān)鍵指標(biāo)上占據(jù)領(lǐng)先地位。
在實(shí)驗(yàn)中，包括量子態(tài)制備、測量、單量子比特邏輯門、雙量子比特邏輯門等在內(nèi)的基本量子操作都不可避免地具有誤差，誤差將隨著量子比特?cái)?shù)量增加和量子線路的延長而積累，最終導(dǎo)致錯(cuò)誤的計(jì)算結(jié)果。所幸，理論研究表明，只要各種基本量子操作的誤差都低于某一閾值（稱為容錯(cuò)量子計(jì)算的閾值），我們就可以通過量子糾錯(cuò)方法，用越來越多的物理量子比特來編碼一個(gè)邏輯量子比特，實(shí)現(xiàn)越來越高的精度。
目前在離子阱和超導(dǎo)電路這兩種領(lǐng)先的物理系統(tǒng)中，都已對幾十個(gè)量子比特實(shí)現(xiàn)了誤差低于容錯(cuò)量子計(jì)算閾值的基本量子操作。因此，未來重要的研究方向，將是如何在保持乃至提高現(xiàn)有精度指標(biāo)的前提下，擴(kuò)展量子比特的數(shù)量，將目前的幾十個(gè)量子比特的系統(tǒng)擴(kuò)展到成千上萬乃至上百萬，從而實(shí)現(xiàn)大規(guī)模通用量子計(jì)算，解決實(shí)際問題。
清華使命：離子阱量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)
在清華大學(xué)交叉信息研究院，我們的團(tuán)隊(duì)布局了離子阱與超導(dǎo)的量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)平臺，重點(diǎn)攻關(guān)離子阱量子計(jì)算方向，領(lǐng)導(dǎo)中國離子阱量子計(jì)算的“2030-重大專項(xiàng)”并處于國際前沿。
離子阱量子計(jì)算機(jī)采用約束在真空中的離子作為量子比特。目前研究中常用的兩種離子阱裝置是圖1所示的刀片阱和圖2所示的芯片阱，二者通過多塊刀片狀的電極、或是芯片表面由微納加工制成的電極，施加直流和交變電場，形成對離子的穩(wěn)定的囚禁。在獲得穩(wěn)定囚禁的離子陣列后，我們可以利用離子的兩個(gè)穩(wěn)定的能級作為量子比特0和1的狀態(tài)，利用激光或微波來控制能級之間的躍遷實(shí)現(xiàn)量子邏輯門，并通過激光實(shí)現(xiàn)量子比特狀態(tài)的初始化和測量。這其中涉及到離子囚禁、低溫、磁場、激光、微波、電子學(xué)控制等多項(xiàng)技術(shù)。作為最早用于量子計(jì)算研究的系統(tǒng)之一，總體來說，相比于其他物理系統(tǒng)，離子阱系統(tǒng)具有保真度高、退相干時(shí)間長、連通性好、編程擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。
圖1 清華實(shí)驗(yàn)室刀片阱實(shí)驗(yàn)裝置
圖2 清華實(shí)驗(yàn)室芯片阱實(shí)驗(yàn)裝置(激光束為示意圖)
當(dāng)前，國際上已經(jīng)能在離子阱量子計(jì)算平臺實(shí)現(xiàn)誤差低于0.01%的量子比特狀態(tài)初始化與測量、在兩個(gè)離子的系統(tǒng)中誤差低于0.01%的單量子比特邏輯門和誤差0.1%的雙量子比特邏輯門，以及在13個(gè)離子的系統(tǒng)中誤差0.02%的單量子比特邏輯門和誤差0.7%-1.5%的雙量子比特邏輯門。
考慮到離子阱量子計(jì)算的上述優(yōu)勢和巨大潛力，清華大學(xué)交叉信息研究院從2011年就開始搭建相關(guān)實(shí)驗(yàn)平臺，是國內(nèi)最早開展離子阱量子計(jì)算研究的機(jī)構(gòu)。近期，我們實(shí)驗(yàn)研究團(tuán)隊(duì)取得多項(xiàng)進(jìn)展：
在低溫環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了超過200個(gè)離子量子比特的穩(wěn)定囚禁（圖3），代表目前的最高記錄。
圖3 清華實(shí)驗(yàn)室拍攝的203個(gè)鐿離子排列成的穩(wěn)定一維陣列的熒光圖像
首次在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了拉比-哈伯德模型的量子模擬（圖4），通過16個(gè)離子的自旋與聲子模式實(shí)現(xiàn)了257（約14億億）的有效希爾伯特空間維度。這是首個(gè)超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)模擬能力的多離子量子模擬實(shí)驗(yàn)，相關(guān)成果發(fā)表于《物理評論快報(bào)》并入選為編輯推薦論文。
圖4 多離子量子模擬實(shí)現(xiàn)拉比-哈伯德模型（Phys. Rev. Lett. 128, 160504）
演示了多離子協(xié)同冷卻（圖5），通過對優(yōu)化選擇的少量離子進(jìn)行激光冷卻，首次實(shí)現(xiàn)對長離子鏈的高效協(xié)同冷卻，獲得了接近全局激光冷卻的極限溫度。這一成果對于保持大規(guī)模離子陣列的穩(wěn)定性、實(shí)現(xiàn)未來的大規(guī)模量子計(jì)算和量子模擬，具有重要意義。
圖5 多離子協(xié)同冷卻（Phys. Rev. Lett. 127, 143201）
未來發(fā)展：離子阱量子計(jì)算的產(chǎn)學(xué)研結(jié)合
未來大規(guī)模通用量子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，將離不開產(chǎn)學(xué)研的協(xié)同發(fā)展。當(dāng)前，歐美各國都在積極開展超導(dǎo)和離子阱量子計(jì)算機(jī)的產(chǎn)業(yè)化。在離子阱領(lǐng)域，尤以高科技跨國公司Honeywell和美國首家上市的量子計(jì)算初創(chuàng)公司IonQ為代表。
針對這一發(fā)展趨勢，交叉信息研究院的研究團(tuán)隊(duì)也在積極推進(jìn)離子量子計(jì)算方向的成果轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，著眼于大規(guī)模離子阱量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)及其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
在此前的離子阱量子計(jì)算研究中，通常采用一維離子構(gòu)型。據(jù)估計(jì)，該構(gòu)型只能穩(wěn)定囚禁至多約一、二百離子。為了進(jìn)一步擴(kuò)展離子量子比特?cái)?shù)，目前國際上主要有兩種主流的方案。一是基于離子輸運(yùn)的方案：將離子阱劃分為多個(gè)空間區(qū)域，在每個(gè)區(qū)域內(nèi)囚禁少量離子作為一個(gè)個(gè)單獨(dú)的量子計(jì)算模塊、分別進(jìn)行小規(guī)模量子計(jì)算，再通過外界電場控制部分離子在各個(gè)計(jì)算模塊之間移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)計(jì)算模塊之間的量子糾纏。這種方案的難點(diǎn)在于離子輸運(yùn)速度較慢，且需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的離子阱結(jié)構(gòu)并保持離子輸運(yùn)過程中的量子相干性。二是模塊化量子網(wǎng)絡(luò)方案：采用多個(gè)獨(dú)立的離子阱作為一個(gè)個(gè)量子計(jì)算模塊，再在每個(gè)模塊中將部分離子量子比特轉(zhuǎn)化成光子，通過光纖收集、傳輸，進(jìn)行不同計(jì)算模塊之間的連接。由于光子更適合遠(yuǎn)距離傳播，量子網(wǎng)絡(luò)方案允許各個(gè)計(jì)算模塊之間距離更遠(yuǎn)，且由于不需要移動(dòng)離子，離子阱的設(shè)計(jì)也比輸運(yùn)方案更為簡單，但這一方案的缺點(diǎn)是光子轉(zhuǎn)化、測量成功率低，導(dǎo)致模塊間連接的效率低、速度慢。
在充分考慮上述方案的優(yōu)缺點(diǎn)后，我們的團(tuán)隊(duì)在推進(jìn)離子阱量子計(jì)算的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展時(shí)，創(chuàng)新性地提出采用基于高維離子量子比特陣列的離子量子計(jì)算機(jī)架構(gòu)，可在維持高速、高保真度的量子邏輯門操作的同時(shí)，極大提升單系統(tǒng)的有效量子比特?cái)?shù)量并保持其連通性。研究團(tuán)隊(duì)已為該技術(shù)方案申請了相關(guān)發(fā)明專利。
量子計(jì)算機(jī)的產(chǎn)學(xué)研結(jié)合和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展目前還處在早期階段，其成熟、廣泛應(yīng)用還需要大量人才與資源的持續(xù)投入。作為一種革命性的技術(shù)，量子計(jì)算機(jī)已成為大國科技競爭中的一個(gè)高地，未來將持續(xù)引領(lǐng)多學(xué)科思想、多門類技術(shù)的交叉、融合與發(fā)展。
作者簡介
段路明
段路明
，清華大學(xué)基礎(chǔ)科學(xué)講席教授、姚期智講座教授，曾任美國密歇根大學(xué)費(fèi)米講席教授。從事量子計(jì)算機(jī)和量子網(wǎng)絡(luò)方向的研究，曾獲饒毓泰基礎(chǔ)光學(xué)獎(jiǎng)、霍英東青年研究獎(jiǎng)、美國斯隆研究獎(jiǎng)、海外華人物理學(xué)會(huì)杰出研究獎(jiǎng)、國家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)等獎(jiǎng)項(xiàng)，2009年當(dāng)選美國物理學(xué)會(huì)會(huì)士。在《現(xiàn)代物理評論》、《自然》、《科學(xué)》等國際著名學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文200余篇，被引用33,000多次。
吳宇愷
吳宇愷，清華大學(xué)交叉信息研究院助理教授，博士生導(dǎo)師。從事量子計(jì)算、量子信息方向的研究。發(fā)表SCI論文30余篇（其中《自然》、《科學(xué)》子刊6篇、《物理評論快報(bào)》7篇），被引用700余次。
供稿 | 段路明 吳宇愷
約稿 | 惠珺
編輯 | 惠珺
排版 | 惠珺
本文經(jīng)段路明老師、吳宇愷老師授權(quán)發(fā)布，
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