量子計算：挑戰未來｜朱曉波

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導讀

量子計算的精髓到底是什麼？除量子比特數目之外，還有哪些性能對量子計算至關重要？建造實用的量子計算機為什麼如此困難？「潘之隊」超導量子計算負責人朱曉波教授為大家解惑。

編者按：

涵蓋量子計算、量子通信、量子感測等領域的量子信息學發展迅速，因其強大的能力、廣泛的應用前景而被視為「決定未來的技術」。

量子技術成為了當下世界各國新興技術競爭的焦點。例如：10月7日，美國國家量子協調辦公室發布《量子前沿》（Quantum Frontiers）報告，列出了八項重點聚焦的前沿方向：擴大量子技術造福社會的能力；建立量子工程學科；瞄準服務於量子技術的材料科學；通過量子模擬探索量子力學；利用量子信息技術進行精密測量；用於新應用的量子糾纏的產生和分發；表徵和減少量子體系的錯誤率，邁向容錯量子計算；通過量子信息理解宇宙。加拿大國家研究委員會指出，到2040年，量子技術將產生規模1424億美元的產業，並提供大量就業機會和政府財政。10月6日，加拿大成立量子工業聯盟（Quantum Industry Canada），旨在確保加拿大的量子創新和科研成就能夠轉化為加拿大的商業成功和經濟繁榮。

人們對計算能力的需求日益增長，傳統計算模式面臨巨大挑戰，而量子計算因其遠超經典計算機的計算能力而受到很大重視。關於量子計算進展的新聞也時常吸引讀者的注意，例如近期的進展新聞：霍尼韋爾公司和IonQ公司接連發布量子體積更大的量子計算機，號稱推出「世界最強的量子計算機」；SQC公司提出可以實現硅原子雙量子比特99.99%的超高保真度。

那麼，量子計算的精髓到底是什麼？除量子比特數目之外，還有哪些性能對量子計算至關重要？建造實用的量子計算機為什麼如此困難？「潘之隊」超導量子計算負責人朱曉波教授為大家解惑。

以下文章整理自墨子沙龍「未來趨勢：量子互聯網」活動朱曉波教授的報告。

ps：墨子沙龍下周還將推出「未來暢想篇：如何實現100萬個量子比特的糾纏和量子計算」，邀請陸朝陽教授作為客串編輯，構思了這個腦洞大開的提問，並邀請正在三個不同物理體系（光子、超冷原子、超導線路）從事研究的青年研究人員進行回答。

大家好，非常高興參與這次上海科技節與墨子沙龍，與大家分享量子計算的知識。因為在座的有許多的高中生、初中生，甚至小學生，所以，我將花更多的篇幅介紹量子計算的相關背景知識，希望通過我的報告，讓大家更多的了解什麼是量子計算，以及現在的量子計算前沿走到了哪一步。

經典力學

首先我們來回顧一下經典力學的內容。初中生或高中生，只要有過一定物理基礎的人都學過牛頓力學，也就是經典力學。牛頓力學是一項偉大的發現，之後人類開始可以精確描述我們的世界，物體的運動可以被預測。比如，我們可以通過牛頓力學描述月球圍繞地球的運動，以及地球圍繞太陽的運動，並預測月食、日食等。人們僅僅通過牛頓力學公式和萬有引力公式這樣兩個簡單的公式，就可以把我們日常觀測到的世界描述清楚了。於是，到了上個世紀初，人們開始覺得物理學已經趨於完美了，物理學家就要失業了，已經沒有更多新的東西需要物理學家們去探索了。

不過在物理學的上空，還飄著「兩朵烏雲」，這「兩朵烏雲」是牛頓力學或者說經典力學所解決不了的。後來大家知道，這「兩朵烏雲」，一朵導致了量子力學的誕生，一朵導致了相對論的誕生。愛因斯坦是天才，他提出了同樣天才的相對論，而量子力學更加深奧難懂，它幾乎聚集了上世紀人類所有偉大的物理學家們的智慧。如果你缺乏相關的數學知識與背景，很難依據日常世界經驗去真正的理解「什麼是量子力學」。但是如果我們從微觀世界的物理現象出發，會發現它並沒有那麼難。量子力學的特點即是認為：微觀世界是量子化的，不連續的，擁有不可分的最小單元，比如光子。

量子力學

舉一個簡單的例子。大家都知道，物體是由分子、原子構成的，原子可以分為原子核與核外電子，電子圍繞著原子核轉動。那麼，我們思考一個問題，電子是如何圍繞原子核轉動的呢？它是像地球繞著太陽那樣轉嗎？答案是否定的，如圖所示，核外電子圍繞原子核轉動具有分立的固定能級，它只能在某些分立的特定能級上運動，這些都是物理觀測結果。

數學與物理學是相反的，數學更專註於邏輯，它通過假定幾條公理，可以推到出一系列的數學結果。但是物理學不一樣，物理學更尊重物理事實，即觀測結果，我們不能因為觀測結果與理論不符，就否定觀測結果。當物理學家們觀測到微觀世界的原子行為與描述宏觀世界的經典力學不符時，物理學家們也非常苦惱，他們不知道要用一個什麼樣的理論去描述這樣一種新的物理現象。實際上，上世紀初量子力學的建立花費了很長的時間，因為微觀世界的許多現象與宏觀世界很不一樣。

通過許許多多物理學家們共同的努力，最終量子力學體系得以建立起來。在量子力學體系里，「軌道」不再是我們平時所理解的軌道，它不像地球圍繞太陽公轉的軌道那樣是連續的。在量子力學體系里，「軌道」是分立的，它們代表不連續的能級。

量子力學並不是一個完美而漂亮的理論，但它是一個非常實用的理論。但凡需要描述微觀世界粒子的運動，比如原子、分子等，就必須用到量子力學。比如晶體管、激光、高溫超導、巨磁阻等等，如果沒有量子力學，這些應用領域都不會存在，因為只有利用量子力學才能描述其物理規律。我們把用量子力學來描述、理解我們周邊世界並以此發明相關應用的階段稱為「Top-down」。量子力學是對我們現代社會影響深遠的一門科學。

隨著科學技術的進步，現代科技的發展已經超出了人們的想像。現代量子科學技術已經可以實現單量子操作。我們把對單個量子的狀態進行人工製備，對多個量子間相互作用進行主動調控稱為「Bottom-up」。人工製備與操控單量子，是一個極具挑戰的科學前沿。在此基礎上發展出了幾個重要的領域：首先是量子保密通信，量子保密通信通過對單個光子的操控來實現安全通信；第二個就是計算能力的飛躍，即我們今天要講的主要內容——量子計算與量子模擬，其因遠超經典計算機的計算能力而受到很大重視；第三個，超越經典極限的精密測量，單光子成像就是其中一種，對於一個像素它只需要一個光子，而傳統成像則需要10^9個。

計算機的發展

在過去，計算機並沒有像我們現在這麼便捷與強大。在計算機誕生非常早的時代，為了計算一個數學問題，需要先將編寫的程序用紙條打好孔，然後輸入計算機，計算機處理好之後再列印出來。無論計算能力，還是操作流程，與現在計算機都不可同日而語。但是後來，隨著集成電路的發展，計算機開始改變人類科技的發展。

可是，人類對於計算能力的需求，實際上是無止境的。隨著計算機技術的發展，我們對計算機計算能力的需求不是減少，而是增加的。人們對於數據處理的需求在急劇上升，甚至於上升的速度遠超過現在計算能力提升的速度。

這裡面涉及一個很重要的問題，就是我們現在的半導體工藝。大家都知道摩爾定律，即集成電路晶元上所集成的電路的數目每隔18個月就翻一番，也即是微處理器的性能每隔18個月提高一倍，而價格卻下降一半。但是，隨著技術的發展，集成電路的數目已經要接近其量子極限了。

另外一個限制計算機性能發展的因素是能耗。現代的計算機，特別是超級計算機，能耗問題是一個更突出的問題。我們可以堆疊更多的CPU，可以擁有更強大的計算能力，但是能耗太大，仍然是不現實的。

基於以上現代計算機發展的限制，人們開始設想有沒有新的計算模式，可以替代現在主流的半導體計算機模式。量子計算就是現在看起來最有前景的解決方案。

量子計算

那麼，量子計算到底能夠在多大程度上取代經典計算機呢？實際上，這是一個非常前沿的問題。現在的普遍認識是：量子計算機不可能完全取代經典計算機，而只能在某些有特定難度的問題上取代經典計算機。所以我們也不能把量子計算機神話，認為其是未來的全部解決方案。

我們首先通過一個比較通俗的例子來介紹量子計算機的原理，希望大家可以通過這個例子理解量子計算的本質。

量子系統與經典系統有本質區別。在經典計算機中，經典比特（我們通常就簡稱為比特），就是0和1，但在量子計算中，由於量子系統的特殊性，量子比特不再是一個簡單的0和1，它是一個展開的二維空間。1個比特就展開一個二維的空間；如果是2個比特，則展開一個四維的空間；3個比特則是八維的空間。如果有N個比特，展開的空間就是2N維度。這是一件非常可怕的事情，如果有300個比特的話，展開空間的維數就比宇宙的原子數目還要多了。

具備了這種指數加速能力，那麼在某些問題上面，量子計算能力的提升將是可怕的。我們畫一個簡單的圖，希望能夠給出一個直觀的解釋。一根線，我們叫做一維，而一個面是二維的，一個立方體是三維的。大家沒有辦法想像四維是什麼樣子，但在線性代數中，其實我們很容易就會知道一個高維空間到底是什麼。

舉一個最簡單的例子，如果你是一個二維生物，位於一個立方體上，要從一個點到另一個點，那麼你只能沿著一個面走，你必須要繞一圈，沒有其他辦法。但是如果你是一個三維生物，可以走三維路徑的話，就可以走直線過去。這只是一個三維的例子，但實際上量子計算就是利用這樣一個原理：把計算的初態放到一個高維空間里，通過一系列運算，計算出最後需要到達的位置，最後再測量這個位置。這就是最基本的量子計算解釋。

我們通過這樣的方式，實現高速求解。現在用的最多的RSA密碼，用的就是指數的加速效應，這也是現在量子計算最有用的一個例子。當然像這樣的例子大家還在不停地探索，邊界到底在哪裡，需要大家一直不停地追求。

一個物理學家，如果他研究的體系能夠構成量子比特，也就是能夠構成量子二能級系統，那麼他們往往就會宣稱他們在做量子計算。當然，這是一件非常困難的事情。能夠構成量子比特的系統有很多種，比如光子、超導、半導體、離子阱等等。現在最受追捧的就是超導量子計算，比如谷歌、IBM、騰訊、阿里等都在開展這方面的工作。接下來，我將對超導量子計算方向著重介紹。

量子計算到底有多難？

總結起來，要實現量子計算，我們一方面希望操作一個單量子，即一個量子二能級系統，另一方面，量子計算的計算能力取決於量子比特數，我們需要把N個量子比特耦合起來，來構成一個複雜的量子計算系統。所以，我們一方面希望它是一個純凈的單量子系統，另一方面又希望多個量子結合在一起，可以相互耦合起來。這本身就是矛盾的。

我們來舉一個例子，比如光子，每個光子都具有非常好的量子性能，但是如果你想做量子計算，就要把很多光子結合起來，對於光子體系，這就非常困難。而超導系統有很好的可擴展性，但是要把每一個量子都做得很好卻非常難。所以在這種內在的矛盾里，一定要發展一個系統，首先它有很好的量子特性，其次你又能把它擴展開來。這個才是走向量子計算的一條康庄大道，唯有如此，我們才能真正把量子計算做成功。

超導量子計算

超導量子計算是現在最受追捧的方向之一。超導是半導體、絕緣體、金屬之外最重要的一個物態，其最主要的一個特點就是原則上沒有能量損失。

那麼通過超導，如何來實現量子計算呢？首先，我來問大家一個問題，通常我們所說的量子系統都是微觀系統，那麼對於一個宏觀系統，如果我們可以將它的雜訊或者外部擾動降低到能與一個單原子或者單分子的微觀系統的擾動相當的時候，這個系統會不會服從量子力學規律呢？答案是肯定的，如果我們能夠構造這麼一個宏觀系統，它就可以擁有量子特性。

在上世紀八九十年代，物理學家們做了一個實驗，他們將一個比單原子大一萬倍的超導電路的雜訊降低到極低的水平，然後去測量其物理特性。實驗結果表明，這個極低雜訊系統的確具有量子特性。這個實驗告訴我們，量子力學是普適的，不管對於宏觀系統，還是微觀系統，只是對於宏觀系統，量子效應往往被雜訊淹沒。

宏觀量子效應具有顯著的優點，就是其可擴展性非常好，與半導體中的PN結相似，在超導體中，有一個約瑟夫森結，通過約瑟夫森結組成與半導體電路相似的電子電路，並把外部環境的雜訊降低到低於單量子擾動，我們就可以得到一個一個的量子比特。當然，這是一個非常有挑戰性的工作。

可見，超導量子處理器工藝與半導體晶元工藝非常相似，就是平面印刷工藝——通過印刷電感、電容和約瑟夫森結來構造量子比特。那麼這項技術的難點在哪裡呢？就在於怎麼控制每一個量子比特不受到擾動。這也是它最難的地方。

我們平時看到的許多宣傳，比如IBM宣稱研製出50量子比特的原型機，DWave宣稱他們已經做出了幾千量子比特的量子計算機，這些宣傳他們只告訴了你故事的一個方面，就是比特數，而比特數恰恰纔是超導量子計算領域最容易實現的目標。因為其本質還是半導體工藝，通過半導體印刷晶體管，可以輕鬆實現幾百、幾千的比特數，如果你想，更多的比特數也沒有問題。但是，這是無用的，如果沒有對每個量子比特的精確操控，比特數都是徒勞。目前階段，我們認為，一個堅實的進步是去年穀歌公司的量子優越性展示，他們大概做到了50個量子比特，每個量子比特的操控精度達到99.5%。這是量子計算目前的前沿水平。

量子計算處理器是一個對單量子態進行超高精度模擬的處理器，它要求必須達到百分之九十九點幾這樣高精度的控制。所以量子計算處理器幾乎把我們用到的各種技術都推到了一個極致。

量子計算的核心就是量子處理器，為了實現對其高精度控制，需要把它放置在一個極低溫環境中，這是因為在量子領域，溫度也是雜訊的一種，只有將環境溫度降低到絕對零度附近，才可以降低溫度所導致的系統擾動。去除干擾後，對處理器發送脈衝，就可以實現對量子比特的精確操控。這就是現代超導量子計算體系的工作機理。所以，從這個角度看，量子計算機要取代經典計算機還有很長的路要走，因為人們不可能每天扛著一個制冷機到處跑。我們預測，將來的量子計算系統會以伺服器的模式出現在大家面前。

那麼量子計算機究竟可以做什麼呢？我們前面提到，去年穀歌公司已經實現對53個量子比特的99.4%保真度的操控，這樣的一個量子計算機可以做什麼呢？目前，科學家們讓它應用在了「量子隨機線路採樣」這個問題上，並且證實它的求解速度遠遠超過經典計算機。但是遺憾的是，這個問題沒有任何實際應用，它只是用來演示量子計算機的計算性能。下一步，科學家們希望可以找到一些實際應用問題，實現在該問題上超過經典計算機的性能。

我們最終希望可以通過「通用容錯量子計算」來實現比如解密演算法等等的實際應用。通用容錯量子計算的核心為量子糾錯，即要把錯誤糾正，讓所有的量子比特都能正確運作起來。這是一項宏偉的計劃，我們團隊希望今年可以實現60比特，99.5%保真度，這實際上就是與谷歌保持同一水平。我們希望今年也可以在同一問題上實現量子優越性。在未來五年希望做到1000個量子比特，這樣就能夠找到一些比經典計算更快求解的實際應用。其實谷歌也提出了同樣的目標，當然，這是一個極具挑戰性的目標。

一個真正的通用容錯的量子計算機需要100萬個量子比特，精度要求為99.8%。當然這個難度相當大。我們希望與谷歌正面競爭，和他們一樣，提出在未來10年做到100萬量子比特。

我的報告就到這裡，謝謝大家！

朱曉波：中科院百人，國家重點研發計劃項目負責人。主要從事超導量子計算以及超導約瑟夫森結系統的研究。在磁通量子比特與金剛石中的NV色心的量子混合系統上做出了一系列的重要工作。先後創造了超導量子比特最大糾纏數目紀錄。以一作或（共同）通訊作者在Nature，Science，Nature Physics，Physical Review Letters，Nature Communications主要頂級期刊發表論文十餘篇。

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背景簡介：本文於2020年10月16日發表於微信公眾號墨子沙龍（量子計算：挑戰未來），風雲之聲獲授權轉載。

責任編輯：楊娜

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