刷爆朋友圈的量子計算機，背後究竟蘊含怎樣厲害的工作？

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5月3日，中國科學院在上海召開新聞發布會，中科院院士、中國科學技術大學教授潘建偉及其同事陸朝陽、朱曉波等，聯合中國科學院物理研究所、浙江大學教授王浩華研究組、福州大學教授鄭仕標研究組，正式發布了他們在基於光子和超導體系的量子計算機研究方面取得的一系列突破性進展的成果。

第一項成果是在光學體系，潘建偉的研究團隊在去年首次實現十光子糾纏操縱的基礎上，利用高品質量子點單光子源構建了世界首台超越早期經典計算機的單光子量子計算原型機，並在該原型機上演示了高效率多光子玻色取樣（Boson sampling）實驗（玻色取樣是作為證明「量子霸權」的一個典型例子）。

第二項工作是在超導線路上實現十個量子比特的糾纏和邏輯操作，這項工作打破了2015年John M. Martinis在超導線路中實現九個量子比特的操控的紀錄。

第三項工作是在超導電路中利用四比特實現求解線性方程組的指數加速，這項工作是用量子計算來解決實際問題的一個嘗試，對量子計算的理論研究具有一定的重要意義。

值得一提的是，在後兩項工作中，即關於超導量子計算方面，我們物理所參與其中，作出了很多重要的貢獻。

什麼是量子計算和量子計算機？

說得高大上一點就是：Quantum computing studies theoretical computation systems (quantum computers) that make direct use of quantum-mechanical phenomena, such as superposition and entanglement, to perform operations on data (Wikipedia)。說得簡單一點就是：直接運用量子力學原理，主要是態疊加原理和量子糾纏理論，進行計算或處理數據。這裡，小編要強調一下（劃重點）：雖然說我們現在通常用的計算機也是離不開量子力學知識的，但在那裡，量子力學主要運用於晶體管和集成電路的工藝中，而並非直接用量子力學原理進行計算。

我們知道，經典計算機的信息單元是由經典比特(bit)表示的，一個經典bit只能是0?或1?態。而量子計算機的信息單元則是量子比特(qubit)。一個qubit不僅可以是0?或1?態，還能是二者的疊加態a0?+b1?態。對！沒錯，就是這樣「360度」旋轉無死角（聰明的你應該已經知道了，這就是江湖中傳說的量子力學大法的第一原理——態疊加原理）。

同時，由量子力學的基本原理決定，量子計算機是真正的並行處理，也就是說量子計算機的計算能力是隨著其qubit數的增加呈指數增長，指…數…增…長…，增…長…反正你懂的…大家可以估算一下，要想超過現在世界上已有的計算能力最強大的超級計算機的計算能力，需要多少個qubit的量子計算機就可以了（敲黑板，家庭作業）。答案是差不多50個qubit，對，沒錯，不要1Gb，也不要1kb，只要50b，你就可以走上世界巔峰。

不容分說，量子計算機既然擁有如此強大的計算能力，那麼自然而然就成為了各個國家眼中的一塊超級肥肉了，所以，大家當然擠破頭也要搶著研究量子計算機啦。畢竟，無論是用於國防還是科學研究，量子計算機的應用潛力簡直不要太棒棒！

然而，事情並不是說得那麼簡單，真要想造出可用的量子計算機，就以人類現在的工藝水平，那可不是什麼簡單的事啊。首先我們必須要解決以下兩個最主要的問題：一個是提高系統退相干時間，量子計算機的所有運算都需要在系統退相干之前完成，所以退相干時間必須足夠長；另一個是系統可擴展性問題，畢竟我們需要做多bit的量子計算機，因此，系統地擴展性自然是非常重要噠。僅僅這兩個條件，就已經把現代的物理學家們愁死了，更別說還有其他一些要求了。當然目前，物理學家們認為最有潛力能造成量子計算機的系統就是超導系統和離子阱系統了。

超導量子計算

超導量子計算，作為最有潛力成功的量子計算系統之一，顧名思義就是利用超導體的一些物理性質來實現量子計算。我們知道，超導就是某些導體在低溫下表現出零電阻和完全抗磁性（劃重點：必須是這兩種條件同時滿足）的現象。超導中，存在一個非常有意思的效應，叫做約瑟夫森效應（這是由約瑟夫森最先通過理論計算，預測到的一種宏觀量子效應，隨後被實驗證實，並因此於1973年獲得諾貝爾物理學獎），即：將一個很薄的絕緣層夾在兩塊超導體中間，形成一個約瑟夫森結，這樣該絕緣體將成為一個勢壘，從而超導體中的庫珀對將會遂穿過該勢壘形成超導電流，從而表現出一定的物理效應。而超導量子計算就是基於約瑟夫森效應，因為基於約瑟夫森結的系統中引入了非線性，區別於諧振子，可以明確地定義二能級系統。那麼，在超導量子計算中，我們該如何定義一個qubit呢？事實上，在超導體中，有三種類型的量子比特——超導相位量子比特、超導磁通量子比特和超導電荷量子比特。

第一種，超導相位量子比特。通過理論計算可知，通過調節偏置電流可將約瑟夫森結兩端的勢能與約瑟夫森結兩端相位關係調節成下圖的紅線所示的形狀。這樣，若將相位φ看作是一個粒子在一個勢場中的位置的話，那麼粒子可以被囚禁在左邊的勢阱中，該粒子的能級也將會離散化（因為這是一個典型的束縛態），並且通過調節偏置電流，使得勢阱剛好可容納兩個能級（有時候也會預留出三個能級，方便對量子態的測量和操控），這樣，這兩個能級便可如圖中所示表示成一個量子比特。

超導相位量子比特電路圖與勢能圖(Wikipedia)

第二種，超導磁通量子比特。將約瑟夫森結兩端用超導線連接起來，形成一個帶有約瑟夫森結的超導環，又叫射頻超導量子干涉儀(RF SQUID)，此時我們需要考慮該超導環的電感，具體等效電路如下圖所示。若該約瑟夫森結的參數合適，那麼通過調節外加磁場，可以將約瑟夫森結的勢能曲線調節成如下圖中的紅色圖線（這裡的調節原理主要是用的超導環中磁通是量子化的性質），這樣我們便可以用勢阱中獲得一個二能級系統。事實上，我們通常用粒子處於左右兩個勢阱中的哪一個來標記量子態，從而描寫一個量子比特，而這兩個量子態則分別對應於超導環中有一個順時針和逆時針的超導電流。

超導磁通量子比特電路圖與勢能圖(Wikipedia)

第三種，超導電荷量子比特。以上兩種量子比特皆是以約瑟夫森結的相位差作為變數，而電荷量子比特則是以超導體中的電子數為變數。我們將約瑟夫森結以及它的電容做得足夠小，這樣超導體中的電荷量便能起到作用，其等效電路圖如下所示。這樣，通過控制電極電壓，可以讓系統變成一個近似的二能級系統，能級如下圖所示，從而完成一個量子比特的表示。但是，人們通常使用的兩個量子態是庫珀盒中的凈庫珀對數是0還是1（這裡的庫珀盒是一個中間超導區域，即圖中虛線內部的區域，體積非常小，從而使得電荷的輸運可以看做是一個個穿過庫珀盒）。

超導電荷量子比特電路圖與勢能圖(Wikipedia)

總結一下，超導量子比特比較容易在晶元上集成，即它的可擴展性很好，同時也可以靈活地控制參數使得它具有良好的初態製備能力，以及由於超導作為一種宏觀量子行為，使得它的讀出能力很強。但是，超導量子比特耦合了很多環境自由度，因此其退相干時間太短了，而且需要在極低的溫度下工作，使得它資源消耗較大。

現階段在量子計算領域，我們已經取得了一系列重大的突破，並在日趨激烈的國際競爭中搶佔了先機。現在，我們可以將量子比特做得越來越多，運算速度也越來越快。我們完全可以很樂觀地相信，在可預見的未來，超越現有傳統計算機的量子計算機定能成為現實！並且，我們一直在努力！

編輯：Alex Yuan

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