【摘要】量子計(jì)算作為物理和計(jì)算機(jī)深度融合的技術(shù)，正成長(zhǎng)為一個(gè)具有廣泛應(yīng)用前景的新興前沿領(lǐng)域。量子計(jì)算有望顯著提升經(jīng)典計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，實(shí)現(xiàn)一系列重要實(shí)際問題的高效求，對(duì)推動(dòng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革、促進(jìn)高質(zhì)量發(fā)展、提高我國(guó)信息產(chǎn)業(yè)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力、保障國(guó)家安全具有重要意義。在實(shí)用化量子計(jì)算機(jī)的這場(chǎng)國(guó)際馬拉松競(jìng)賽中，中國(guó)和歐美發(fā)達(dá)國(guó)家都處于起跑階段。依靠和發(fā)揮我國(guó)長(zhǎng)期積累的、在物理和材料等學(xué)科的研究基礎(chǔ)優(yōu)勢(shì)，并把這些優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化成推動(dòng)力，外加合適的科技政策引導(dǎo)，我國(guó)有望贏得這場(chǎng)顛覆性的科技競(jìng)賽。
【關(guān)鍵詞】量子計(jì)算 量子科技 量子信息處理
【中圖分類號(hào)】G322／0413 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A
【DOI】10.16619/j.cnki.rmltxsqy.2021.07.007
量子計(jì)算的概念
量子計(jì)算機(jī)是基于量子力學(xué)的基本原理，利用并發(fā)揮量子相干、量子糾纏及量子并行等特性，以全新的方式進(jìn)行計(jì)算、編碼和信息處理任務(wù)的設(shè)備。由于量子計(jì)算機(jī)對(duì)某些特定問題的求解具有經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法比擬的強(qiáng)大計(jì)算和模擬能力，可以為密碼分析、氣象預(yù)報(bào)、石油勘探、藥物設(shè)計(jì)等所需的大規(guī)模計(jì)算難題提供全新的解決方案。例如，量子計(jì)算機(jī)的超快計(jì)算能力將極大縮短對(duì)基于計(jì)算復(fù)雜度的傳統(tǒng)加密算法的破解時(shí)間，從而將對(duì)現(xiàn)有信息安全體系造成顛覆性的影響。因此，實(shí)用化量子計(jì)算機(jī)的研制成功極有可能引發(fā)一場(chǎng)新的科技革命。2020年10月，習(xí)近平總書記在中共中央政治局第24次集體學(xué)習(xí)中指出：“要充分認(rèn)識(shí)推動(dòng)量子科技發(fā)展的重要性和緊迫性，加強(qiáng)量子科技發(fā)展戰(zhàn)略謀劃和系統(tǒng)布局，把握大趨勢(shì)，下好先手棋。”
量子計(jì)算的概念最早由美國(guó)物理學(xué)家R. Feynman于1981年提出[1]。Feynman預(yù)見到，量子計(jì)算機(jī)相比經(jīng)典計(jì)算機(jī)更適合用來模擬量子物理系統(tǒng)的特性。1994年，美國(guó)物理學(xué)家P. Shor提出了首個(gè)量子算法[2]，證明量子計(jì)算機(jī)可以高效地解決大數(shù)分解問題，并可能破解廣泛使用的RSA公共密鑰體系，引發(fā)了全世界廣泛的關(guān)注。在此后的20多年間，該領(lǐng)域的理論和實(shí)驗(yàn)研究快速發(fā)展，取得了一批令人矚目的成就，并在某些特定領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)展到接近實(shí)用化的突破臨界點(diǎn)。
此外，對(duì)量子計(jì)算的研究還可以擴(kuò)展經(jīng)典計(jì)算在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，觸及量子化學(xué)、材料科學(xué)，甚至機(jī)器學(xué)習(xí)等多個(gè)交叉學(xué)科。目前，通過量子-經(jīng)典混合方案[3][4]，實(shí)用化的量子輔助計(jì)算已經(jīng)被應(yīng)用于多種量子器件。該方案結(jié)合了經(jīng)典和量子計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)，使用量子處理器計(jì)算系統(tǒng)在特定狀態(tài)下的物理觀測(cè)值，然后通過經(jīng)典反饋優(yōu)化算法。這一混合方案可用于估計(jì)分子的基態(tài)能量[5][6]，模擬量子材料[7]，以及尋找優(yōu)化問題的近似解等[8]。
對(duì)量子計(jì)算的研究還極大地促進(jìn)了量子信息處理技術(shù)水平的提高。我國(guó)與歐美等國(guó)都正在組建較大規(guī)模的長(zhǎng)程量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)，而量子精密測(cè)量的相關(guān)技術(shù)也已經(jīng)開始應(yīng)用于國(guó)家安全和石油勘探等領(lǐng)域。雖然量子計(jì)算、量子通信和量子精密測(cè)量的側(cè)重點(diǎn)和發(fā)展階段各有不同，但都需要具有較長(zhǎng)相干時(shí)間、且能在不同物理系統(tǒng)間高效轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)量子信息長(zhǎng)程傳輸?shù)牧孔颖忍卮鎯?chǔ)器。這一設(shè)備不僅是實(shí)現(xiàn)規(guī)?？蓴U(kuò)展的通用量子計(jì)算的核心部件，也可以用來制造下一代量子通訊網(wǎng)絡(luò)中具有高可信度的量子中繼器節(jié)點(diǎn)。
通用量子計(jì)算機(jī)與專用量子計(jì)算機(jī)
從設(shè)計(jì)用途角度來看，現(xiàn)有的量子計(jì)算機(jī)大致可以分為兩類。一類是通用量子計(jì)算機(jī)，可以通過量子邏輯門電路編程，在一定誤差范圍內(nèi)執(zhí)行任意的量子算法。如IBM、Google的商用量子計(jì)算機(jī)。另一類是專用量子計(jì)算機(jī)，有時(shí)候也被稱為量子模擬器，其特點(diǎn)為運(yùn)行特定類型的量子電路，執(zhí)行預(yù)先設(shè)定好的特定任務(wù)，不能通過量子門組合實(shí)現(xiàn)其他量子算法。如D-Wave公司推出的Ising模型量子退火機(jī)、我國(guó)的“九章”波色采樣量子專用機(jī)等。
通用量子計(jì)算機(jī)的主要發(fā)展目標(biāo)為容錯(cuò)量子計(jì)算，容錯(cuò)量子計(jì)算的核心問題在于實(shí)現(xiàn)盡可能多的可以自己檢測(cè)錯(cuò)誤與糾正錯(cuò)誤的、具有自我保護(hù)功能的容錯(cuò)計(jì)算單元，該計(jì)算單元一般被稱為邏輯量子比特。與之相對(duì)應(yīng)，不具有完整容錯(cuò)功能的計(jì)算單元，一般被稱為物理量子比特。為了實(shí)現(xiàn)邏輯量子比特，目前主要有兩種思路，一種是在物理量子比特基礎(chǔ)上，通過進(jìn)一步提高操作保真度，減小邏輯門的操作與測(cè)量誤差，或者引入大量的冗余輔助物理量子比特與合適的量子糾錯(cuò)編碼算法，來逐步逼近直至實(shí)現(xiàn)邏輯量子比特。另一種思路是從基礎(chǔ)材料的研究出發(fā)，尋找具有特殊容錯(cuò)性質(zhì)的新型量子計(jì)算載體，如基于馬約拉那費(fèi)米子的拓?fù)淞孔佑?jì)算方案。
目前已經(jīng)搭建完成的通用量子計(jì)算設(shè)備主要由物理量子比特構(gòu)成。其最重要的參數(shù)是可用于編程的量子比特?cái)?shù)目，以及在一定誤差范圍內(nèi)可連續(xù)執(zhí)行的量子邏輯門數(shù)目。目前有兩種指標(biāo)可用來度量一個(gè)通用量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力：量子體積（由美國(guó)IBM公司提出）或算法量子比特?cái)?shù)（由美國(guó)IonQ公司提出）。算法量子比特?cái)?shù)是指可用于實(shí)現(xiàn)量子算法的量子比特?cái)?shù)目。量子體積是指“設(shè)備在給定的空間和時(shí)間內(nèi)完成的量子計(jì)算的有用量”。影響量子體積的因素有很多，包括量子比特?cái)?shù)量、設(shè)備連接度、相干時(shí)間、邏輯門操作和測(cè)量誤差、設(shè)備串?dāng)_以及量子電路軟件編譯器效率等。量子體積越大，量子計(jì)算機(jī)可能解決的實(shí)際復(fù)雜問題就越多。
在算法方面，量子計(jì)算被認(rèn)為可以在兩類重要的問題中表現(xiàn)出相對(duì)經(jīng)典計(jì)算機(jī)的顯著加速，包括量子搜索型算法和量子隱藏子群型算法。它們的典型代表分別為Grover算法與Shor算法。另外有一些算法——如量子計(jì)數(shù)算法——可以同時(shí)屬于這兩類。理論研究表明，Grover算法對(duì)于無結(jié)構(gòu)搜索問題具有平方加速，并且很容易通過定義映射來解決諸如數(shù)獨(dú)等實(shí)際問題。此外，Grover算法的迭代振幅放大搜索過程具有鮮明的幾何意義，易于進(jìn)一步分析與優(yōu)化，因此，在理論量子計(jì)算研究中有著重要地位。Shor算法在解決大整數(shù)分解問題時(shí)，相比于目前已有的所有經(jīng)典算法，都具有指數(shù)級(jí)的加速。而大整數(shù)分解的困難性是目前絕大多數(shù)非對(duì)稱加密算法的基礎(chǔ)。在非對(duì)稱加密算法中，公鑰和加密信息都可以在公開信道中發(fā)布，而只有持有私鑰的特定收信人才能正確的解密信息。因此，這一類算法是目前基于公共網(wǎng)絡(luò)（非專線）進(jìn)行加密通信最重要的方式。目前常用的非對(duì)稱加密算法——如RSA算法——多利用大整數(shù)分解的困難性。因此，Shor算法的實(shí)現(xiàn)可能讓公共網(wǎng)絡(luò)中的加密通信變得不再安全。假如，某國(guó)家或組織通過Shor算法實(shí)現(xiàn)了對(duì)目前RSA算法的高效破解，就可以肆意竊聽所有利用該算法加密的公共網(wǎng)絡(luò)通訊。因此，能運(yùn)行大規(guī)模Shor算法的量子計(jì)算機(jī)一旦研制成功，必然會(huì)成為顛覆現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)通信構(gòu)架的信息“核武器”。這也是許多國(guó)家大力發(fā)展量子計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要原因。
如果說Shor算法是一柄鋒利的矛，可以刺破各種經(jīng)典加密通訊，那么量子通信則是一塊不可突破的盾，可以在量子算法的破解下依然保證無條件安全。我國(guó)在早期就開始大力發(fā)展量子通信產(chǎn)業(yè)。目前，基于光纖的量子保密通訊已經(jīng)實(shí)際用于各政府、銀行、企業(yè)的關(guān)鍵信道加密，基于“墨子號(hào)”衛(wèi)星的空天量子中繼保密通訊更是遠(yuǎn)遠(yuǎn)走在了國(guó)際前列。因此，即使在不遠(yuǎn)的未來有人能研制出能夠運(yùn)行大規(guī)模Shor算法的量子計(jì)算機(jī)，我國(guó)也仍然能保證關(guān)鍵通訊的安全性。
通用量子計(jì)算機(jī)以量子比特和量子門作為基本計(jì)算單元。與經(jīng)典比特相比，量子比特可以處于0和1之間的任意一個(gè)疊加態(tài)。根據(jù)量子力學(xué)的基本原理，當(dāng)這樣的疊加態(tài)通過一個(gè)量子門時(shí)，作用的結(jié)果也會(huì)自動(dòng)線性疊加，而并不需要人為地去把疊加態(tài)系數(shù)展開，分別計(jì)算再重新疊加起來。這種利用量子態(tài)疊加等原理的計(jì)算方案，可以實(shí)現(xiàn)量子態(tài)層面的指數(shù)級(jí)并行計(jì)算加速。但是，由于量子態(tài)表征的只是概率分布的概率幅，如果將實(shí)際問題中確定性的輸入和輸出直接與量子態(tài)進(jìn)行映射，本身就需要指數(shù)級(jí)復(fù)雜度的輸入（態(tài)制備）操作與輸出（測(cè)量）操作。這樣一來通用量子計(jì)算機(jī)的速度優(yōu)勢(shì)就被完全消解了。所以絕大多數(shù)具有實(shí)用價(jià)值的量子算法都要經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，使得問題的輸入輸出并不和量子態(tài)直接對(duì)應(yīng)，而是利用量子態(tài)測(cè)量的特殊性質(zhì)，構(gòu)造出類似于干涉的計(jì)算過程，將原始問題的求解轉(zhuǎn)化為對(duì)干涉條紋位置的測(cè)量，以及相應(yīng)的后續(xù)處理。目前來看，通用量子計(jì)算機(jī)主要擅長(zhǎng)解決搜索類型的問題，能夠在某些經(jīng)典計(jì)算機(jī)計(jì)算困難的搜索問題上實(shí)現(xiàn)平方級(jí)甚至指數(shù)級(jí)的加速。值得注意的是，這里指出的“搜索”是廣義的概念，既包括通常意義上無結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫的搜索（原始Grover算法），也包括函數(shù)或者矩陣解空間的搜索（量子本征值求解算法，機(jī)器學(xué)習(xí)HHL算法，及基于變分法的量子化學(xué)VQE算法等），甚至還包括抽象的特殊性質(zhì)子群或者整數(shù)因子的搜索（量子傅立葉變換，Shor算法等）。這些不同類型的搜索具有一個(gè)共同的特點(diǎn)，就是問題的輸入（待搜索空間的描述）和輸出（搜索結(jié)果）規(guī)模相對(duì)較小，而找到解的過程對(duì)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)卻是非常困難的。通俗來講，這類問題可以類比為走迷宮，求解就是尋找能走出迷宮的正確路徑，而量子計(jì)算機(jī)可以利用量子并行性高效地找到這些正確路徑。
通用量子計(jì)算機(jī)擅長(zhǎng)解決搜索類的問題，并不是說通用量子計(jì)算機(jī)不“通用”。首先，通用量子計(jì)算機(jī)具有完整的通用計(jì)算能力。他可以通過量子Toffoli門的組合，實(shí)現(xiàn)所有經(jīng)典可實(shí)現(xiàn)的計(jì)算，并能實(shí)現(xiàn)經(jīng)典計(jì)算完成不了的可逆計(jì)算。從信息熵的角度來說，只要計(jì)算過程不可逆，就必然會(huì)產(chǎn)生發(fā)熱。因此，相比于經(jīng)典計(jì)算機(jī)，通用量子計(jì)算機(jī)在計(jì)算理論研究領(lǐng)域具有極大的價(jià)值和優(yōu)勢(shì)。其次，通用量子計(jì)算機(jī)所擅長(zhǎng)的廣義搜索問題其實(shí)涵蓋了很大一部分計(jì)算問題。最后，通用量子計(jì)算機(jī)的通用性還表現(xiàn)在，僅通過一組有限集合中的通用量子邏輯門的有限長(zhǎng)度組合，我們就可以實(shí)現(xiàn)——或者以任意精度逼近——任意的量子邏輯門操作。這個(gè)發(fā)現(xiàn)從理論上保證，人們只需要集中精力研究實(shí)現(xiàn)一小組通用量子邏輯門，就可以實(shí)現(xiàn)任意的通用量子計(jì)算。這一點(diǎn)與經(jīng)典計(jì)算機(jī)的構(gòu)建過程類似，即從最基本的晶體管和最簡(jiǎn)單的邏輯門電路出發(fā)，逐級(jí)從底層向上，直至構(gòu)建出各種復(fù)雜的應(yīng)用程序幫助人們解決實(shí)際問題。
關(guān)于專用量子計(jì)算機(jī)或者量子模擬器，已經(jīng)有理論指出，任何只存在局域性耦合的專用量子計(jì)算機(jī)都可以通過通用量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行高效地實(shí)現(xiàn)[9]。因此，現(xiàn)有的專用量子計(jì)算機(jī)主要有兩種發(fā)展思路。第一，針對(duì)本身就需要非局域性或者全局耦合的特定問題或者量子算法進(jìn)行設(shè)計(jì)。這類問題或者算法暫時(shí)無法在通用量子計(jì)算機(jī)上得到有效地實(shí)現(xiàn)，所以只能依靠專用量子計(jì)算機(jī)。例如，在具有長(zhǎng)程相互作用的量子多體系統(tǒng)的模擬問題中，由于任意兩個(gè)粒子之間都存在相互作用，在代入量子力學(xué)方程中求解時(shí)，必須要對(duì)整個(gè)稠密的態(tài)空間進(jìn)行求解。而根據(jù)量子力學(xué)基本原理，該系統(tǒng)的整體態(tài)空間是通過各成分粒子的態(tài)空間直積展開得到的，因此，整體態(tài)空間的維度將隨著粒子數(shù)指數(shù)增長(zhǎng)。舉個(gè)直觀的例子，對(duì)于一個(gè)由300個(gè)單自旋粒子組成的小規(guī)模系統(tǒng)，其態(tài)空間的維度已經(jīng)高達(dá)2＾300～10＾90，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了可觀測(cè)宇宙中所有原子的數(shù)目（10＾80）。因而，現(xiàn)有的計(jì)算手段都必須借助一些體系的特殊性質(zhì)進(jìn)行部分近似后在統(tǒng)計(jì)層面求解，并不能做到基于第一性原理的精確求解。在Feynman最初提出量子計(jì)算機(jī)的概念與設(shè)想時(shí)，他的主要?jiǎng)訖C(jī)之一就是解決這類模擬問題。事實(shí)上，F(xiàn)eynman說到，“自然界是量子的，那我們只能拿量子計(jì)算機(jī)去模擬它”。專用量子計(jì)算機(jī)的第二個(gè)發(fā)展思路，是在同等技術(shù)水平或成本要求下，通過犧牲一部分通用性換取更高的計(jì)算性能，從而能針對(duì)某些特定類型的問題實(shí)現(xiàn)更高效的計(jì)算。因此，專用量子計(jì)算機(jī)研究的關(guān)鍵在于提高可解決問題的規(guī)模，以及尋找將更多有意義的實(shí)際問題關(guān)聯(lián)到專用模型量子電路的映射。
量子“優(yōu)越性”
所謂量子“優(yōu)越性”（Quantum supremacy，也被翻譯為量子“霸權(quán)”），最初只是一個(gè)理論計(jì)算機(jī)復(fù)雜度的提法，原意是指在量子計(jì)算機(jī)上演示完成一項(xiàng)具有顯著量子加速的任務(wù)[10]。這里所說的“顯著量子加速”具有非常高的理論嚴(yán)格性，指的是對(duì)于某個(gè)特定問題，我們可以嚴(yán)格證明量子計(jì)算機(jī)將確定性地顯著超越（至少指數(shù)加速）所有經(jīng)典算法。這里的經(jīng)典算法既包括已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的算法，也包括尚未發(fā)現(xiàn)的算法?；蛘哒f，我們需要找到一個(gè)問題，先從數(shù)學(xué)上嚴(yán)格證明其經(jīng)典算法的算法復(fù)雜度，再找到一個(gè)量子算法，并證明該量子算法對(duì)所有經(jīng)典算法都存在至少指數(shù)級(jí)加速。
與之前提到的一些量子算法的例子相比，量子“優(yōu)越性”問題主要有兩點(diǎn)不同。第一，前文中的一些問題并沒有嚴(yán)格地?cái)?shù)學(xué)證明其經(jīng)典算法復(fù)雜性。例如，雖然目前所有的經(jīng)典算法在計(jì)算大整數(shù)分解問題時(shí)都非常困難，但我們也不能否認(rèn)高效經(jīng)典算法存在的可能性。換句話說，有可能存在某個(gè)尚未被發(fā)現(xiàn)的大整數(shù)分解經(jīng)典算法，可以和量子計(jì)算機(jī)上的Shor算法一樣快。因此，嚴(yán)格說來，我們只能說Shor算法很高效，但不能說他具有量子“優(yōu)越性”。第二，用于演示量子“優(yōu)越性”的問題不需要具有任何實(shí)際意義。這個(gè)問題完全可以是人為構(gòu)造的，只是為了證明經(jīng)典計(jì)算機(jī)在某些情況下一定不如量子計(jì)算機(jī)。其他的復(fù)雜問題未必可以、通常也很難歸約到這個(gè)人造問題。因此，我們需要辯證地認(rèn)識(shí)和理解量子“優(yōu)越性”。量子“優(yōu)越性”的成功演示，能夠說明量子計(jì)算機(jī)具有經(jīng)典計(jì)算機(jī)所不具備的計(jì)算能力，代表了我們認(rèn)識(shí)上的巨大進(jìn)步。同時(shí)也要清醒地看到，量子“優(yōu)越性”并不能直接地轉(zhuǎn)化為求解實(shí)際問題的能力，而且這個(gè)轉(zhuǎn)化甚至可能永遠(yuǎn)都沒法完成。例如，Google公司在展示量子“優(yōu)越性”時(shí)采用的量子隨機(jī)電路模擬問題，以及我國(guó)“九章”量子專用機(jī)采用波色采樣模擬問題，目前都無法直接和具有應(yīng)用價(jià)值的實(shí)際問題建立聯(lián)系。
通用量子計(jì)算機(jī)的物理實(shí)現(xiàn)
目前，可進(jìn)行量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)研究的物理系統(tǒng)主要包括超導(dǎo)量子器件、離子阱、光子系統(tǒng)、量子點(diǎn)、金剛石色心、冷原子氣體、核磁共振系統(tǒng)，以及仍處于理論研究階段的拓?fù)淞孔酉到y(tǒng)等。這幾種系統(tǒng)在不同的問題研究中各有優(yōu)勢(shì)，也都存在亟待解決的關(guān)鍵難點(diǎn)。對(duì)于如何判定一種物理系統(tǒng)是否可用來實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算，國(guó)際上一般使用DiVincenzo判據(jù)。該判據(jù)由D. P. DiVincenzo最早提出[11]，主要包含五個(gè)條件。
一是物理系統(tǒng)需要具有可掌控的量子比特，并具有可擴(kuò)展性（A scalable physical system with well characterized qubits）。“可掌控的量子比特”是指我們不僅能夠在物理上實(shí)現(xiàn)量子比特，且該量子比特的物理參數(shù)、與其他量子比特的相互作用，以及與環(huán)境的相互作用都能夠被確定性地描述。“可擴(kuò)展性”是指能夠?qū)崿F(xiàn)的量子比特?cái)?shù)量要具有一定的規(guī)模。擁有幾百到上千個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)才真正具有比經(jīng)典計(jì)算機(jī)優(yōu)越的性能，且其中所有的量子比特之間應(yīng)當(dāng)能夠互相分辨、單獨(dú)操作，且可以從整體上完全掌控它們的行為。
二是能夠?qū)⒘孔颖忍爻跏蓟揭粋€(gè)簡(jiǎn)單的量子態(tài)（The ability to initialize the state of the qubits to a simple state）。這個(gè)條件包含兩方面的要求。第一，是量子計(jì)算機(jī)能夠被初始化。量子計(jì)算機(jī)應(yīng)該能重復(fù)使用，在開始新的量子計(jì)算任務(wù)之前必須將所有量子比特置于一個(gè)己知的態(tài)。第二，要能夠滿足量子糾錯(cuò)的要求，即在計(jì)算過程中可以源源不斷地提供“空白”的量子比特。
三是能在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持量子相干性，或者說退相干時(shí)間要遠(yuǎn)大于量子邏輯門的操作時(shí)間（Long relevant coherence time, much longer than the gate operation time）。量子比特與環(huán)境的耦合會(huì)導(dǎo)致其量子相干性的喪失。人們通常把量子比特退相干時(shí)間與量子邏輯門操作時(shí)間的比率稱為品質(zhì)因子。要實(shí)現(xiàn)任何具有實(shí)際意義的量子算法，都需要量子計(jì)算機(jī)的品質(zhì)因子遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一。
四是能夠進(jìn)行普適的量子邏輯門操作（A universal set of quantum gates）。任意的量子幺正操作都可以通過一組普適量子邏輯門來實(shí)現(xiàn)。因此該條件保證了該量子計(jì)算機(jī)可以完成任意的量子計(jì)算任務(wù)。
五是能夠進(jìn)行單量子比特的測(cè)量（A qubit specific measurement capability）。這個(gè)條件對(duì)應(yīng)于量子信息的讀出。
除以上五條外，D. P. DiVincenzo后來又添加了兩條關(guān)于實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的要求，即本地量子比特和飛行量子比特能夠互相轉(zhuǎn)化（The ability to interconvert stationary and flying qubits），以及能夠在兩地間傳播飛行量子比特（The ability to faithfully transmit flying qubits between specified locations）。
上述兩條要求與量子網(wǎng)絡(luò)的研究密切相關(guān)。量子網(wǎng)絡(luò)與量子計(jì)算是量子信息科技里兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立而又聯(lián)系緊密的研究分支。二者之間的關(guān)系類似于互聯(lián)網(wǎng)和計(jì)算機(jī)的關(guān)系。
雖然DiVincenzo判據(jù)理解起來比較直觀，但要找到一個(gè)可以滿足全部判據(jù)的實(shí)際物理系統(tǒng)卻并不容易。從技術(shù)層面看來，有些判據(jù)甚至是相互矛盾的，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)需要非常仔細(xì)地尋找合適的平衡點(diǎn)。例如，延長(zhǎng)相干時(shí)間需要量子比特盡量“與世隔絕”，而幺正操作和強(qiáng)測(cè)量又要求量子比特能與量子門和探測(cè)器很好的“交流”。從DiVincenzo判據(jù)出發(fā)，我們?cè)谙卤碇兄鹨环治隽烁鞣N物理實(shí)現(xiàn)的基本原理、特色優(yōu)勢(shì)，以及關(guān)鍵難點(diǎn)。
國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
整體發(fā)展態(tài)勢(shì)。鑒于量子計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算和海量數(shù)據(jù)處理能力，美國(guó)、歐洲和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家政府以及國(guó)際知名科技公司如Google、Intel、Microsoft和IBM等都發(fā)起研究計(jì)劃，斥資研發(fā)量子計(jì)算機(jī)。從上世紀(jì)90年代起，美國(guó)的多家機(jī)構(gòu)如國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）、能源部、國(guó)家科學(xué)技術(shù)委員會(huì)（NSTC）等先后啟動(dòng)了量子科技相關(guān)規(guī)劃。2016年7月，美國(guó)國(guó)家科學(xué)技術(shù)委員會(huì)發(fā)布題為《推進(jìn)量子信息科學(xué)：國(guó)家的挑戰(zhàn)與機(jī)遇》的報(bào)告，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)發(fā)展量子計(jì)算的重要性。2018年，美國(guó)國(guó)會(huì)眾議院通過《國(guó)家量子倡議法案》。同年，美國(guó)政府在白宮舉辦量子峰會(huì)，并發(fā)布了《量子信息科學(xué)國(guó)家戰(zhàn)略概述》。2020年，白宮國(guó)家量子協(xié)調(diào)辦公室發(fā)布《美國(guó)量子網(wǎng)絡(luò)的戰(zhàn)略構(gòu)想》和《量子前沿：量子信息科學(xué)國(guó)家戰(zhàn)略進(jìn)展報(bào)告》，進(jìn)一步確立了美國(guó)在該領(lǐng)域開展國(guó)際對(duì)抗性博弈的發(fā)展戰(zhàn)略。目前，美國(guó)聯(lián)邦政府支持量子信息科學(xué)的研發(fā)投入每年為2億美元左右。此外，多家科技公司在量子領(lǐng)域的投資也大幅提高。歐盟委員會(huì)于2016年發(fā)布《量子宣言：量子技術(shù)旗艦計(jì)劃》，擬在10年間投入10億歐元，進(jìn)行量子通信、量子模擬、量子傳感和量子計(jì)算機(jī)方面研究。2018年，該計(jì)劃得到了進(jìn)一步細(xì)化，并在基礎(chǔ)量子科學(xué)和云計(jì)算領(lǐng)域進(jìn)行了擴(kuò)充。
我國(guó)在量子信息領(lǐng)域的研究起步晚于美國(guó)，但在國(guó)際上較早形成了戰(zhàn)略部署和發(fā)展規(guī)劃，因此在進(jìn)入21世紀(jì)以來基本保持在第一梯隊(duì)。2006年，《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006～2020年）》將量子調(diào)控列入四個(gè)重大基礎(chǔ)研究計(jì)劃。2015年，“十三五”規(guī)劃進(jìn)一步加強(qiáng)了對(duì)量子通信和量子計(jì)算領(lǐng)域的布局。2021年，《“十四五”規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》將量子信息確立為具有前瞻性和戰(zhàn)略性的國(guó)家重大科技項(xiàng)目，并提出了“加快布局量子計(jì)算、量子通信、神經(jīng)芯片、DNA存儲(chǔ)等前沿技術(shù)”的要求。目前，我國(guó)在量子計(jì)算領(lǐng)域的研究水平整體上依然處于跟跑狀態(tài)，但已經(jīng)形成了一個(gè)頗具發(fā)展?jié)摿Φ难芯筷?duì)伍，在主要的物理平臺(tái)完成了全面布局，并在部分方向?qū)崿F(xiàn)了突破。
超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)。（1）國(guó)際主要團(tuán)隊(duì)和現(xiàn)狀。超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)方案是目前國(guó)際進(jìn)展最快的方案。國(guó)際上絕大部分研究機(jī)構(gòu)都在美國(guó)和歐洲，其中比較有代表性的研究組有：美國(guó)的加州大學(xué)圣巴巴拉分校、耶魯大學(xué)、麻省理工學(xué)院、美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局（NIST）、加州大學(xué)伯克利分校、馬里蘭大學(xué)、芝加哥大學(xué)，以及荷蘭的代爾夫特大學(xué)（Delft）、瑞士的蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH）、日本的理化研究院等。此外，還有Google、IBM、Intel、D-wave、Rigetti為代表的20多家公司也積極參與該方向的研究。
目前，通用超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)的研制仍然處于初期的階段，主要圍繞提高廣度和深度兩個(gè)方面開展工作。廣度是可控耦合量子比特的數(shù)目，目前國(guó)際已發(fā)表的文獻(xiàn)中最好水平大約是20個(gè)。深度是指可以連續(xù)進(jìn)行的高保真度多量子比特邏輯操作次數(shù)。對(duì)于20比特的廣度，當(dāng)前最好的深度能達(dá)到40次左右。要實(shí)現(xiàn)實(shí)用化量子計(jì)算，廣度和深度必須同時(shí)提高、相互配合。按照理論估計(jì)，當(dāng)達(dá)到50個(gè)比特50次操作以后，量子計(jì)算機(jī)的性能將接近甚至超越目前最快的經(jīng)典計(jì)算機(jī)。這樣的指標(biāo)有可能在3到5年內(nèi)實(shí)現(xiàn)。
（2）國(guó)內(nèi)主要團(tuán)隊(duì)和現(xiàn)狀。我國(guó)在超導(dǎo)量子計(jì)算的實(shí)驗(yàn)研究上起步較晚，但是近幾年通過科技部、基金委、教育部以及地方政府等相關(guān)項(xiàng)目的實(shí)施，培育出一批優(yōu)秀的團(tuán)隊(duì)并做出了一些亮點(diǎn)性工作，如浙江大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院物理研究所、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)三個(gè)單位聯(lián)合開展的十個(gè)超導(dǎo)量子比特的糾纏，清華大學(xué)在基于諧振腔光子態(tài)的量子糾錯(cuò)演示，以及近期南京大學(xué)研發(fā)的超導(dǎo)量子模擬器等。在指標(biāo)方面，我國(guó)各研究組均在快速提升。目前已發(fā)表的文獻(xiàn)中報(bào)道的廣度為20左右。從事超導(dǎo)量子計(jì)算的實(shí)驗(yàn)研究團(tuán)隊(duì)有：清華大學(xué)、浙江大學(xué)、南京大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、南方科技大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院物理研究所和北京量子信息科學(xué)研究院等。此外，阿里巴巴、騰訊、百度、華為、浪潮等科技公司也注意到超導(dǎo)量子計(jì)算的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展?jié)摿Γ娂娫O(shè)立相應(yīng)的研發(fā)部門進(jìn)行攻關(guān)。
就整體水平而言，我國(guó)與歐洲（如德國(guó)、法國(guó)、瑞士和荷蘭）和日本處在同一水平線，在部分方向略微超前。與美國(guó)的頂尖研究組相比（如耶魯大學(xué)、Google、IBM、麻省理工學(xué)院），雖然由于起步較晚，積累不足，存在一定差距，但這個(gè)差距并沒有形成代差，以現(xiàn)在的研究進(jìn)展速度衡量，約有三年左右。在正視差距、準(zhǔn)確定位不足的條件下，如果合理選擇技術(shù)路線和研究方法，通過戰(zhàn)略布局重點(diǎn)攻關(guān)，中國(guó)完全具備超車的條件。
離子阱量子計(jì)算機(jī)。（1）國(guó)際主要團(tuán)隊(duì)和現(xiàn)狀。離子阱系統(tǒng)和超導(dǎo)系統(tǒng)是美國(guó)政府資助最多的兩個(gè)量子計(jì)算研究方向。除通用量子計(jì)算機(jī)以外，離子阱還被廣泛應(yīng)用于量子化學(xué)、相對(duì)論量子力學(xué)、量子熱力學(xué)等領(lǐng)域的量子模擬研究。由于離子阱在量子物理學(xué)，特別是量子計(jì)算與量子模擬上的重要意義，發(fā)明離子阱的W. Paul獲得了1989年的諾貝爾物理獎(jiǎng)，第一次把離子阱技術(shù)用于演示量子計(jì)算的D.Wineland獲得了2012年的諾貝爾物理獎(jiǎng)，首次提出基于離子阱量子計(jì)算理論方案的I.Cirac和P.Zoller獲得了2013年Wolf物理獎(jiǎng)。
在國(guó)際上，從20世紀(jì)90年代初人們首次嘗試將離子阱用于量子計(jì)算開始，離子阱量子計(jì)算的實(shí)驗(yàn)研究已經(jīng)過二十余年的發(fā)展。早在2011年，奧地利因斯布魯克大學(xué)R.Blatt實(shí)驗(yàn)組就基于Mølmer-Sørensen方案實(shí)現(xiàn)了14個(gè)離子量子比特的Greenberger-Horne-Zeilinger糾纏態(tài)的創(chuàng)建。2016年，英國(guó)牛津大學(xué)D.M.Lucas實(shí)驗(yàn)組使用在室溫離子阱中鈣43離子的超精細(xì)結(jié)構(gòu)作為量子比特，實(shí)現(xiàn)了保真度分別為99.9％的兩量子比特門和99.9934％的單量子比特門，顯著高于容錯(cuò)量子計(jì)算所需的99％最小閾值。最近該實(shí)驗(yàn)組實(shí)現(xiàn)了亞微秒級(jí)別且不受囚禁頻率限制的多離子量子門，大大縮小了離子阱系統(tǒng)與超導(dǎo)系統(tǒng)在量子操作速度上的劣勢(shì)。2016年，美國(guó)馬里蘭大學(xué)C.Monre實(shí)驗(yàn)組展示了一個(gè)五量子比特囚禁離子量子計(jì)算機(jī)，該計(jì)算機(jī)可以通過執(zhí)行任意通用量子邏輯門序列來實(shí)現(xiàn)任意的量子算法。他們將算法編譯成完全連接的一組硬件門操作，達(dá)到了98％的平均保真度，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了Deutsch-Jozsa和Bernstein-Vazirani算法，以及大數(shù)分解Shor算法的核心步驟量子傅里葉變換。最近他們還通過引入低溫制冷技術(shù)，在單個(gè)離子阱中成功穩(wěn)定囚禁超過100個(gè)離子（44個(gè)可尋址），并研制出含有53個(gè)量子比特的量子模擬器。
（2）國(guó)內(nèi)主要團(tuán)隊(duì)和現(xiàn)狀。國(guó)內(nèi)對(duì)于離子阱量子計(jì)算機(jī)的實(shí)驗(yàn)研究只有不到十年的歷史，研究團(tuán)隊(duì)主要分布于清華大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中科院精密測(cè)量院（原中科院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所）、中國(guó)人民大學(xué)、中山大學(xué)等。2017年，清華大學(xué)交叉信息研究院研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了四個(gè)離子量子比特的高保真度任意操控，達(dá)到世界一流水平。該團(tuán)隊(duì)還成功實(shí)現(xiàn)相干時(shí)間超過10分鐘的單個(gè)量子比特，是迄今為止單量子比特相干時(shí)間的世界紀(jì)錄，將之前的世界紀(jì)錄提高了10倍。總體而言，國(guó)內(nèi)大部分實(shí)驗(yàn)組仍處于一到兩個(gè)比特的初期研究階段，水平有待進(jìn)一步提高。但是，國(guó)內(nèi)部分團(tuán)隊(duì)從離子光頻標(biāo)鐘精密測(cè)量方向發(fā)展而來，具有成熟的自主實(shí)驗(yàn)技術(shù)基礎(chǔ)。且研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人大多擁有國(guó)外一流研究組研究經(jīng)歷，起點(diǎn)高發(fā)展快，具備在3到5年內(nèi)追趕上國(guó)際一流水平的條件。
拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)。（1）國(guó)際主要團(tuán)隊(duì)和現(xiàn)狀。微軟公司是國(guó)際上拓?fù)淞孔佑?jì)算方案的主要推動(dòng)者。2005年，該公司成立專門從事拓?fù)淞孔佑?jì)算研究的Station Q研究所，并長(zhǎng)期高額資助了世界上多個(gè)頂級(jí)的實(shí)驗(yàn)室主攻拓?fù)淞孔佑?jì)算科學(xué)與技術(shù)，如荷蘭代爾夫特理工大學(xué)Kouwenhoven研究組和丹麥哥本哈根大學(xué)Marcus研究組等。目前，包括美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校的王康隆研究組在內(nèi)的多國(guó)實(shí)驗(yàn)室均發(fā)現(xiàn)了可以構(gòu)筑拓?fù)淞孔颖忍氐牧孔討B(tài)跡象。微軟公司稱有望在1到2年內(nèi)實(shí)現(xiàn)拓?fù)淞孔颖忍亍?/p>
（2）國(guó)內(nèi)主要團(tuán)隊(duì)和現(xiàn)狀。拓?fù)淞孔佑?jì)算的基礎(chǔ)是對(duì)拓?fù)淞孔游飸B(tài)和效應(yīng)的研究。我國(guó)近年來在該領(lǐng)域取得了重大進(jìn)展，整體具備世界一流水平，在某些方向處于國(guó)際領(lǐng)先地位。例如，清華大學(xué)的薛其坤團(tuán)隊(duì)及其合作者在世界上首次實(shí)現(xiàn)了量子反?；魻栃?yīng)，在界面超導(dǎo)方面居世界領(lǐng)先地位，在基于量子反?；魻栃?yīng)的量子計(jì)算研究方向確立了技術(shù)優(yōu)勢(shì)和材料優(yōu)勢(shì)。上海交通大學(xué)的賈金鋒團(tuán)隊(duì)在拓?fù)淞孔佑?jì)算所需材料的生長(zhǎng)上有深厚積累和國(guó)際重要成果。北京大學(xué)的杜瑞瑞團(tuán)隊(duì)是量子自旋霍爾效應(yīng)的國(guó)際學(xué)術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者，該體系的拓?fù)涮匦苑€(wěn)定，適合開展量子計(jì)算相關(guān)研究，并且目前的技術(shù)準(zhǔn)備相對(duì)成熟。此外，我國(guó)在半導(dǎo)體納米線和分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)等領(lǐng)域也開展了拓?fù)淞孔佑?jì)算的國(guó)際前沿研究。與其他量子計(jì)算的系統(tǒng)不同，拓?fù)淞孔佑?jì)算是個(gè)困難前置的方案，其實(shí)現(xiàn)的最大瓶頸在于拓?fù)淞孔颖忍氐奈锢韺?shí)現(xiàn)。從這個(gè)角度講，國(guó)內(nèi)和國(guó)際的研究均剛剛開始，處于齊頭并進(jìn)的態(tài)勢(shì)。
半導(dǎo)體量子點(diǎn)量子計(jì)算機(jī)。（1）國(guó)際主要團(tuán)隊(duì)和現(xiàn)狀。美國(guó)休斯研究院、美國(guó)普林斯頓大學(xué)、澳大利亞國(guó)家量子計(jì)算與通信技術(shù)研究中心、荷蘭代爾夫特大學(xué)和日本東京大學(xué)等均實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體兩量子比特的邏輯門操控，其中荷蘭代爾夫特大學(xué)研究組同時(shí)實(shí)現(xiàn)了量子算法演示，并已開始利用產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)線進(jìn)行8寸大小的工業(yè)尺寸的半導(dǎo)體量子芯片制造。同時(shí)Intel公司和法國(guó)CEA-Leti實(shí)驗(yàn)室也開始致力于半導(dǎo)體量子芯片制造核心工藝技術(shù)的研發(fā)。
經(jīng)過近十年的發(fā)展，國(guó)際半導(dǎo)體量子計(jì)算研究領(lǐng)域已經(jīng)將獲得高質(zhì)量長(zhǎng)相干時(shí)間的量子芯片材料體系作為量子芯片研發(fā)的核心任務(wù)之一。世界范圍內(nèi)以美國(guó)、澳大利亞和歐洲為代表，均專門設(shè)立了半導(dǎo)體量子芯片材料生長(zhǎng)和表征團(tuán)隊(duì)，為國(guó)家層面的半導(dǎo)體量子計(jì)算研究提供統(tǒng)一的量子芯片材料，特別是進(jìn)入到硅純化的量子芯片材料生長(zhǎng)階段，其材料生長(zhǎng)工藝技術(shù)和材料性能已經(jīng)完全不公開。
（2）國(guó)內(nèi)主要團(tuán)隊(duì)和現(xiàn)狀。國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體量子點(diǎn)量子計(jì)算機(jī)的實(shí)驗(yàn)主要在中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和北京大學(xué)開展。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)團(tuán)隊(duì)在電荷量子比特方向先后實(shí)現(xiàn)了單、雙和三個(gè)量子比特的制備與邏輯門，完成了半導(dǎo)體量子比特邏輯單元庫的建立，同時(shí)利用微波諧振腔實(shí)現(xiàn)了多量子比特的擴(kuò)展架構(gòu)，為規(guī)?；孔有酒兄频於藞?jiān)實(shí)基礎(chǔ)。研究整體處于并跑狀態(tài)，在材料和測(cè)量設(shè)備環(huán)節(jié)受控于國(guó)外技術(shù)，處于跟跑狀態(tài)。北京大學(xué)的徐洪起團(tuán)隊(duì)在半導(dǎo)體量子點(diǎn)自旋量子比特的研究中，深入研究了線性多量子點(diǎn)中的電荷與自旋量子態(tài)的構(gòu)型，實(shí)現(xiàn)了單電子的遠(yuǎn)距相干傳輸，為發(fā)展與當(dāng)代半導(dǎo)體技術(shù)工藝兼容的量子計(jì)算芯片技術(shù)奠定了基礎(chǔ)，成果處于該領(lǐng)域國(guó)際領(lǐng)先地位。
高質(zhì)量硅基半導(dǎo)體量子芯片材料是半導(dǎo)體量子計(jì)算研制的核心材料基礎(chǔ)，我們必須開展專門的半導(dǎo)體量子芯片材料生長(zhǎng)、表征和器件測(cè)試等相關(guān)工藝和技術(shù)開發(fā)，獲得未來量子芯片制造的核心工藝技術(shù)，為半導(dǎo)體量子芯片制造和未來量子計(jì)算機(jī)的研制奠定堅(jiān)實(shí)的材料基礎(chǔ)。同時(shí)，國(guó)際半導(dǎo)體量子計(jì)算研究已經(jīng)到了大量工程技術(shù)和產(chǎn)業(yè)界進(jìn)入的新階段，國(guó)內(nèi)整體還處于實(shí)驗(yàn)室階段，需要加大工程技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的投入以期加速量子計(jì)算機(jī)的研制進(jìn)程。
金剛石NV色心量子計(jì)算機(jī)。（1）國(guó)際主要團(tuán)隊(duì)和現(xiàn)狀。2008年，德國(guó)斯圖加特大學(xué)Wrachtruo研究組和美國(guó)哈佛大學(xué)Lukin研究組同時(shí)實(shí)現(xiàn)了NV色心在納米尺度檢測(cè)直流和交流磁場(chǎng)的技術(shù)，是NV色心在量子精密測(cè)量領(lǐng)域的首次應(yīng)用。2012年，荷蘭代爾夫特技術(shù)大學(xué)Hanson研究組在NV色心系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了Grover算法的演示。同年，多個(gè)研究組報(bào)導(dǎo)了利用NV色心對(duì)弱耦合C-13的探測(cè)和相干控制，將NV色心體系可控制量子比特?cái)U(kuò)展到3-6比特。2014年，Wrachtrup研究組和Hanson研究組實(shí)現(xiàn)了NV色心系統(tǒng)中的三比特量子糾錯(cuò)算法演示。同年，Wrachtrup研究組利用最優(yōu)化控制方法，在NV色心系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了高保真度糾纏態(tài)制備。2015年，Hanson研究組利用光學(xué)手段將相距1.3km的NV色心糾纏起來完成了Loophole-free Bell不等式檢驗(yàn)，并于2017年實(shí)現(xiàn)了NV色心系統(tǒng)中的糾纏態(tài)。2018年，Hanson研究組在低溫條件下將NV電子自旋相干時(shí)間延長(zhǎng)到秒量級(jí)，并探測(cè)到19個(gè)與NV耦合的C-13核自旋。
（2）國(guó)內(nèi)主要團(tuán)隊(duì)和現(xiàn)狀。近年來，國(guó)內(nèi)在NV色心量子計(jì)算的研究方向進(jìn)展良好。2010年，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)杜江峰研究組在NV色心系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了Deutsch-Jozsa算法演示，并于2017年實(shí)現(xiàn)了大數(shù)分解算法演示。2013年，中科院物理所潘新宇研究組在NV色心系統(tǒng)中演示了基于動(dòng)力學(xué)解耦的邏輯門控制方法。2014年，清華大學(xué)段路明研究組在NV色心體系中演示了和樂量子計(jì)算。2015年，杜江峰研究組完成了NV色心中單比特保真度0.999952和兩比特保真度0.992的量子控制，創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)量子系統(tǒng)的最高紀(jì)錄。2018年，清華大學(xué)龍桂魯研究組利用與平均哈密頓量理論相結(jié)合的最優(yōu)化控制理論，去除了環(huán)境演化對(duì)量子控制的影響，首次在NV弱耦合系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)化控制。
另外，我國(guó)在NV色心的其他研究領(lǐng)域——如光學(xué)方法耦合等方向的發(fā)展——落后于國(guó)際最高水平。NV色心體系中需要用到的高品質(zhì)樣品（低N雜質(zhì)樣品）及高品質(zhì)實(shí)驗(yàn)儀器（高帶寬任意波形發(fā)生器、高頻率微波源、高帶寬示波器）嚴(yán)重依賴進(jìn)口?，F(xiàn)有的NV色心單比特控制的保真度已達(dá)到0.9999，超過了量子糾錯(cuò)閾值。未來通過進(jìn)一步發(fā)展控制方法，改進(jìn)電子儀器的精度，我們有望實(shí)現(xiàn)兩比特以上操控的高保真度控制，并借助量子糾錯(cuò)算法實(shí)現(xiàn)量子邏輯比特。此外，借助光學(xué)微腔等光學(xué)結(jié)構(gòu)還可以增強(qiáng)NV色心發(fā)射光子的接受率，提高NV色心之間的耦合強(qiáng)度，并實(shí)現(xiàn)量子網(wǎng)絡(luò)。
核磁共振量子計(jì)算機(jī)。（1）國(guó)際主要團(tuán)隊(duì)和現(xiàn)狀。核磁共振體系由于具有成熟的脈沖控制技術(shù)、長(zhǎng)相干時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)，是量子算法演示、量子系統(tǒng)模擬和量子控制方法檢驗(yàn)的重要平臺(tái)，其發(fā)展出的控制方法有望方便地移植到其他量子體系中。國(guó)際上從事核磁共振量子計(jì)算的研究機(jī)構(gòu)包括加拿大滑鐵盧大學(xué)，德國(guó)多特蒙特大學(xué)、英國(guó)牛津大學(xué)、印度理工大學(xué)等。該體系中目前可實(shí)現(xiàn)的量子比特?cái)?shù)目可達(dá)12個(gè)。該記錄由加拿大滑鐵盧大學(xué)和清華大學(xué)聯(lián)合完成。
（2）國(guó)內(nèi)主要團(tuán)隊(duì)和現(xiàn)狀。清華大學(xué)龍桂魯研究組和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)杜江峰研究組處于國(guó)際領(lǐng)先水平。其中清華研究組不僅率先演示了包括和樂量子算法等重要實(shí)驗(yàn)，發(fā)展了反饋控制優(yōu)化算法，而且利用核磁共振體系來優(yōu)化對(duì)自身系統(tǒng)的控制，提高了速度和精度。2017年10月，清華大學(xué)推出了國(guó)際上第一個(gè)基于核磁共振的量子云平臺(tái)，引起國(guó)內(nèi)外的廣泛注意和報(bào)道。中科大研究組利用核磁共振系統(tǒng)完成了大數(shù)分解、H原子能級(jí)模擬、凝聚態(tài)體系量子模擬等重要的量子算法演示和量子模擬實(shí)驗(yàn)。
冷原子量子計(jì)算方案。（1）國(guó)際主要團(tuán)隊(duì)和現(xiàn)狀。美國(guó)幾乎所有頂尖大學(xué)的物理系都設(shè)有冷原子實(shí)驗(yàn)研究小組，歐盟在這方面也投入很大。從2007年開始，美國(guó)國(guó)防部高等研究計(jì)劃局（DARPA）開展了為期五年的“光晶格量子模擬”項(xiàng)目，資助了美國(guó)最優(yōu)秀的團(tuán)隊(duì)和部分歐洲一流團(tuán)隊(duì)，促進(jìn)了技術(shù)發(fā)展。該計(jì)劃的后續(xù)效應(yīng)一直延伸到近兩年所取得的一些突破性進(jìn)展，超越經(jīng)典計(jì)算能力的量子模擬初露端倪。2017年，哈佛大學(xué)研究組在80個(gè)格點(diǎn)的系統(tǒng)中模擬了強(qiáng)關(guān)聯(lián)的費(fèi)米子模型。這類量子模型被認(rèn)為是理解高溫超導(dǎo)等新奇量子特性的關(guān)鍵模型。2018年，哈佛大學(xué)和麻省理工學(xué)院的聯(lián)合研究組實(shí)現(xiàn)了基于冷原子體系的51比特可編程量子模擬機(jī)，模擬了一類量子問題的動(dòng)力學(xué)行為。
（2）國(guó)內(nèi)主要團(tuán)隊(duì)和現(xiàn)狀。冷原子物理是一個(gè)需要長(zhǎng)期技術(shù)積累的研究方向。我國(guó)大規(guī)模的冷原子物理研究起步較晚，但近十年來，隨著投入的增加，已經(jīng)建成了多個(gè)比較成熟的冷原子物理實(shí)驗(yàn)室，掌握了絕大多數(shù)關(guān)鍵技術(shù)，少數(shù)最新技術(shù)也在積極跟進(jìn)當(dāng)中。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、山西大學(xué)、香港科技大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院武漢物數(shù)所等多家單位近年來在自旋—軌道耦合效應(yīng)的量子模擬實(shí)驗(yàn)研究中處于國(guó)際領(lǐng)先的并跑位置。清華大學(xué)實(shí)驗(yàn)組近期實(shí)現(xiàn)的超過1萬個(gè)原子的量子糾纏，在精密測(cè)量上具有重要的應(yīng)用前景。一個(gè)需要重視的現(xiàn)狀是目前國(guó)內(nèi)冷原子實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵儀器和設(shè)備都購自歐美。特別是高性能激光器、光電控制和探測(cè)儀器等，需要在國(guó)家層次上協(xié)調(diào)大力扶持發(fā)展。在國(guó)家保持穩(wěn)定充足支持的情況下，我們可以在十年內(nèi)躋身第一集團(tuán)。
光學(xué)量子計(jì)算機(jī)。（1）國(guó)際主要團(tuán)隊(duì)和現(xiàn)狀。國(guó)際上光量子計(jì)算的主要研究團(tuán)隊(duì)分布在維也納大學(xué)量子科學(xué)與技術(shù)研究中心、美國(guó)麻省理工學(xué)院電子研究實(shí)驗(yàn)室、英國(guó)布里斯托大學(xué)量子光學(xué)研究中心、澳大利亞昆士蘭大學(xué)量子計(jì)算與量子通信技術(shù)研究中心等科研機(jī)構(gòu)。光量子計(jì)算的研究焦點(diǎn)主要集中包括單光子源和多光子糾纏源在內(nèi)的量子光源，以及用于調(diào)控光量子比特的量子線路。
（2）國(guó)內(nèi)主要團(tuán)隊(duì)和現(xiàn)狀。作為國(guó)內(nèi)開展光量子計(jì)算的主要團(tuán)隊(duì)，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究組長(zhǎng)期以來開展了系統(tǒng)性和戰(zhàn)略性的研究，取得了一系列重要成果：在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)五、六、八、十光子糾纏，始終保持著光子糾纏態(tài)制備的世界紀(jì)錄，同時(shí)制備了國(guó)際上綜合性能最優(yōu)的單光子源，開展了光子邏輯門、容失編碼、拓?fù)淞孔蛹m錯(cuò)、多自由度隱形傳態(tài)等面向可擴(kuò)展量子計(jì)算的研究，首次實(shí)現(xiàn)了Shor算法演示、任意子分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)的量子模擬、求解線性方程組量子算法和量子人工智能算法等，在光學(xué)量子計(jì)算領(lǐng)域一直保持著國(guó)際領(lǐng)先地位。此外，南京大學(xué)和北京大學(xué)的研究組各自在光子芯片的研究中取得突破；山西大學(xué)研究組在連續(xù)變量光量子計(jì)算研究中也獲得一些進(jìn)展。在量子光源的研究中，我國(guó)處于國(guó)際領(lǐng)先水平；在量子線路，特別是集成光量子線路的研究中，與國(guó)際最先進(jìn)水平尚有一些差距。
近期發(fā)展趨勢(shì)
鑒于量子計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算能力和在軍事國(guó)防、金融、信息安全、災(zāi)害預(yù)報(bào)等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用價(jià)值，量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)勢(shì)在必行。目前，美歐日等發(fā)達(dá)國(guó)家的政府、高校、公司，以及各種機(jī)構(gòu)都紛紛介入研發(fā)，搶占科技制高點(diǎn)，在此方向的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)已經(jīng)到了白熱化的階段。
以目前的國(guó)際研究態(tài)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)具有容錯(cuò)能力的通用量子計(jì)算機(jī)還很遙遠(yuǎn)，如果沒有重大理論技術(shù)創(chuàng)新，短期內(nèi)很難真正實(shí)現(xiàn)。但是，能夠展示量子加速效應(yīng)的專用量子計(jì)算機(jī)有可能在3到5年內(nèi)問世。這種專用量子計(jì)算機(jī)在某些特定的算法上能夠超越目前最快的經(jīng)典計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)所謂的量子“優(yōu)越性”，并在一些實(shí)際問題的求解中展現(xiàn)出應(yīng)用潛質(zhì)。
由于我國(guó)在量子計(jì)算機(jī)軟硬件的研究上起步比較晚，研究基礎(chǔ)相對(duì)薄弱。特別是實(shí)驗(yàn)條件和人才隊(duì)伍是這十幾年慢慢培養(yǎng)起來的，對(duì)實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)這個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程來說，暫時(shí)不能滿足和發(fā)達(dá)國(guó)家全面競(jìng)爭(zhēng)的需要。但是這個(gè)差距并沒有完全拉開，在實(shí)用化量子計(jì)算機(jī)的這場(chǎng)國(guó)際馬拉松競(jìng)賽中，中國(guó)和歐美發(fā)達(dá)國(guó)家都處于起跑階段。依靠和發(fā)揮我國(guó)長(zhǎng)期積累的、在物理和材料等學(xué)科的研究基礎(chǔ)優(yōu)勢(shì)，并把這些優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化成推動(dòng)力，外加合適的科技政策引導(dǎo)，我國(guó)有望贏得這場(chǎng)顛覆性的科技競(jìng)賽。
注釋
[1]Feynman, R. P., "Simulating physics with computers", Int. J. Theor. Phys.21, 1982, pp. 467-488.
[2]Shor, P. W., "Polynomial-Time Algorithms for Prime Factorization and Discrete Logarithms on a Quantum Computer", SIAM J. Comput.26, 1997, pp. 1484-1509 .
[3]McClean, J. R.; Romero, J.; Babbush, R. & Aspuru-Guzik, A., "The theory of variational hybrid quantum-classical algorithms", New J. Phys.18, 2016, 023023.
[4]Peruzzo, A., et al., "A variational eigenvalue solver on a photonic quantum processor", Nat. Commun.5, 2014, pp. 1-7.
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[6]Kandala, A., et al., "Hardware-efficient variational quantum eigensolver for small molecules and quantum magnets", Nature 549, 2017, pp. 242-246.
[7]Bauer, B.; Wecker, D.; Millis, A. J.; Hastings, M. B. & Troyer, M., "Hybrid Quantum-Classical Approach to Correlated Materials", Phys. Rev. X6, 2016, 031045.
[8]Farhi, E.; Goldstone, J. & Gutmann, S., "A Quantum Approximate Optimization Algorithm", ArXiv14114028 Quant-Ph, 2014.
[9]Lloyd, S., "Universal Quantum Simulators", Science 273, 1996, pp. 1073-1078.
[10]Aaronson, S. and Chen, L., "Complexity-Theoretic Foundations of Quantum Supremacy Experiments, ArXiv161205903 Quant-Ph, 2016.
[11]DiVincenzo, D. and IBM., "The Physical Implementation of Quantum Computation", Fortschritte Phys. 48, 2000.
Embracing the Era of Quantum Technology:
The Status Quo and Prospect of Quantum Computing
Zhang Wei
Abstract: As a technology of deep integration of physics and computer, quantum computing is growing into a new frontier field with wide application prospects. Quantum computing is expected to significantly improve the computing power of classical computers and provide a series of effective solutions to important practical problems. It is of great significance to promote a new round of scientific and technological revolution and industrial change, stimulate high-quality development, improve the international competitiveness of China's information industry and ensure national security. In the international marathon of practical quantum computer, China and the developed countries in Europe and America are all at the starting stage. By relying on and making full use of China's long-term accumulated basic research advantages in physics, materials and other disciplines, transforming these advantages into driving forces, and following the guidance of appropriate science and technology policies, China is expected to win this disruptive science and technology competition.
Keywords: quantum computing, quantum technology, quantum information processing
張威，中國(guó)人民大學(xué)物理學(xué)系教授、博導(dǎo)。研究方向?yàn)槌淞孔託怏w、量子信息與量子計(jì)算、強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系。主要著作有《Towards quantum simulation of Sachdev-Ye-Kitaev model》《Experimental Determination of PT-Symmetric Exceptional Points in a Single Trapped Ion》等。
