吳根 資劍 楊濤 陳卓敏

一、關(guān)于量子計(jì)算技術(shù)

量子計(jì)算是指利用糾纏的量子態(tài)作為信息載體，利用量子態(tài)的線性迭加原理進(jìn)行信息并行計(jì)算的方案；量子計(jì)算對(duì)某些問(wèn)題的處理能力大大超越經(jīng)典計(jì)算。

量子計(jì)算機(jī)具有極高的并行計(jì)算能力，可以將經(jīng)典計(jì)算機(jī)幾乎不可能完成的某些計(jì)算難題，諸如大數(shù)分解、復(fù)雜路徑搜索等，在可接受的時(shí)間內(nèi)予以解決。以量子計(jì)算為基礎(chǔ)的信息處理技術(shù)的發(fā)展有望引發(fā)新的技術(shù)革命，為密碼學(xué)、大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能、化學(xué)反應(yīng)計(jì)算、材料設(shè)計(jì)、藥物合成等許多領(lǐng)域的研究，提供前所未有的強(qiáng)力手段，對(duì)未來(lái)社會(huì)的科技、經(jīng)濟(jì)、金融，以及國(guó)防安全等產(chǎn)生革命性的影響。在國(guó)際上，有人甚至將量子計(jì)算提到了“量子霸權(quán)”的高度。

二、世界發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

1982年Richard Feynman 提出利用量子計(jì)算機(jī)來(lái)模擬研究量子體系的想法。1985年David Deutsch 提出了量子圖靈機(jī)的普適量子計(jì)算機(jī)模型。

量子計(jì)算提出至今，實(shí)驗(yàn)方面歷經(jīng)了從單個(gè)量子比特到約10 個(gè)量子比特（不算D-Wave 等的量子模擬或退火裝置）的發(fā)展過(guò)程。相對(duì)于最終做成實(shí)用化普適量子計(jì)算機(jī)的目標(biāo)，目前仍然處于原理演示的探索性研究階段。但近年來(lái)在超導(dǎo)量子計(jì)算、量子點(diǎn)量子計(jì)算、拓?fù)淞孔佑?jì)算等方案上所取得的進(jìn)展，向人們展示了量子計(jì)算時(shí)代即將來(lái)臨的美好憧憬，引起了學(xué)術(shù)界、工業(yè)界和政府組織的高度重視。一些國(guó)家政府的大力推動(dòng)和國(guó)際大公司的積極參與，成為了這一領(lǐng)域發(fā)展的風(fēng)向標(biāo)。

1.超導(dǎo)量子計(jì)算

超導(dǎo)量子計(jì)算是目前最被看好的量子計(jì)算方案之一。1999年首次在超導(dǎo)器件中實(shí)現(xiàn)了量子相干演化以來(lái)，超導(dǎo)量子比特和量子電 路的研究取得了快速的進(jìn)展，已成為實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展量子計(jì)算的一個(gè)優(yōu)選方案。

電路從早期的單比特電路到雙比特電路，發(fā)展到現(xiàn)在的10個(gè)量級(jí)的多比特電路；單個(gè)超導(dǎo)量子比特的量子相干保持時(shí)間-退相干時(shí)間增加了6個(gè)數(shù)量級(jí)，可以實(shí)現(xiàn)103～104個(gè)操作；量子相干操控，從早期驗(yàn)證超導(dǎo)量子比特電路中的量子特性、單比特或雙比特電路上量子計(jì)算所必須的各種量子操作，發(fā)展到在包含多比特的電路上，實(shí)現(xiàn)部分量子糾錯(cuò)和進(jìn)行一些量子算法的演示。相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)，專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的，包含幾十到100個(gè)左右量子比特的超導(dǎo)電路，可以在特定的算法上演示超越經(jīng)典大型超級(jí)計(jì)算機(jī) 的能力，實(shí)現(xiàn)所謂的“量子霸權(quán)（quantum supremacy）”。

目前，超導(dǎo)量子計(jì)算技術(shù)及其科學(xué)問(wèn)題的研究，不僅得到各國(guó) 學(xué)術(shù)界的高度關(guān)注，某些國(guó)際大公司也已經(jīng)開(kāi)始實(shí)質(zhì)性地支持相關(guān) 研究。

最引人注目的是谷歌將目前實(shí)力最強(qiáng)的超導(dǎo)量子計(jì)算研究團(tuán)隊(duì)— UCSB Martinis組納入其超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)研制計(jì)劃，以期實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)。谷歌還與哈佛大學(xué)、勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、塔夫茨大學(xué)、倫敦大學(xué)等眾多研究機(jī)構(gòu)展開(kāi)合作，期望在量子化學(xué)計(jì)算領(lǐng)域取得實(shí)質(zhì)突破。

半導(dǎo)體巨頭Intel公司，與荷蘭Delft大學(xué)Dicarlo研究組合作，將最先進(jìn)的半導(dǎo)體技術(shù)結(jié)合到超導(dǎo)量子電路中，引人注目。

IBM公司和NIST合作，最近在網(wǎng)上推出5 個(gè)超導(dǎo)量子比特的“云量子計(jì)算”平臺(tái)供研究人員使用。

歐盟啟動(dòng)了高達(dá)10億歐元量子計(jì)算研究計(jì)劃，以使歐洲“在量子計(jì)算研究中處于領(lǐng)先地位”，提出了“第二次量子革命”的口號(hào)，超導(dǎo)量子計(jì)算也是其中一個(gè)重要 部分。

日本NEC的實(shí)驗(yàn)室最早實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)器件量子相干演化，Riken/NEC和NTT以及東京大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)，在超導(dǎo)量子比特研究中也做出過(guò)顯著的成果。

加拿大的D-wave公司已經(jīng)推出基于退火算法的，宣稱(chēng)是超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)的產(chǎn)品。雖然業(yè)界對(duì)其能否具有量子加速效應(yīng)持否定的態(tài)度，但是這樣一個(gè)初創(chuàng)小公司在10年左右的時(shí)間推出可以進(jìn)行快速 計(jì)算的產(chǎn)品，也說(shuō)明了超導(dǎo)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

2.量子點(diǎn)量子計(jì)算

半導(dǎo)體量子點(diǎn)量子計(jì)算是另一個(gè)被看好的發(fā)展方向。這個(gè)方向 上的先驅(qū)研究團(tuán)隊(duì)是原哈佛大學(xué)（現(xiàn)哥本哈根）的Charles Marcus、荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的Lieven Vandersypen，日本東京大學(xué)/RIKEN的Seigo Tarucha等的研究組。

相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)半導(dǎo)體量子計(jì)算的量子比特?cái)?shù)停留在幾個(gè)比特的水平上，但基于高純硅材料和成熟半導(dǎo)體工藝技術(shù)，有望發(fā)展出可規(guī)?；陌雽?dǎo)體量子芯片。英特爾公司于2015年宣布資助荷蘭代爾夫特理工大學(xué)QuTech量子研究所，從事硅量子點(diǎn)自旋量子計(jì)算等方面的研究并取得進(jìn)展。

3.拓?fù)淞孔佑?jì)算

拓?fù)淞孔佑?jì)算是目前國(guó)際上量子計(jì)算領(lǐng)域公認(rèn)的幾個(gè)主要方案之一。拓?fù)淞孔佑?jì)算是在量子系統(tǒng)整體拓?fù)湫再|(zhì)的保護(hù)下，通過(guò)非阿貝爾任意子的編織操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)量子信息的存儲(chǔ)和處理，有望從根本上解決因環(huán)境噪聲導(dǎo)致的量子態(tài)退相干等問(wèn)題。

拓?fù)淞孔佑?jì)算的概念于20世紀(jì)末提出。由于拓?fù)淞孔佑?jì)算基礎(chǔ)理論的重要性和可行性，一些理論先驅(qū)者獲得了狄拉克獎(jiǎng)?wù)隆涂死?jiǎng)等多個(gè)國(guó)際學(xué)術(shù)界重要獎(jiǎng)項(xiàng)。

拓?fù)淞孔佑?jì)算的關(guān)鍵是尋找遵從非阿貝爾統(tǒng)計(jì)的任意子，并構(gòu)建拓?fù)湮锢硐到y(tǒng)。我國(guó)以及美國(guó)、歐洲、日本等國(guó)家的頂尖研究機(jī)構(gòu)，已經(jīng)對(duì)此進(jìn)行了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究，提出了多種可能的實(shí)現(xiàn)方案。這些方案包括分?jǐn)?shù)量子霍爾系統(tǒng)、內(nèi)秉拓?fù)涑瑢?dǎo)體、半導(dǎo)體與超導(dǎo)的復(fù)合系統(tǒng)、量子自旋液體等。

原貝爾實(shí)驗(yàn)室和微軟公司一 直在推動(dòng)拓?fù)淞孔佑?jì)算的研究， 后者還專(zhuān)門(mén)為此成立了研究機(jī)構(gòu)Station-Q。最初探索的重點(diǎn)是利用 二維電子氣的5/2等分?jǐn)?shù)量子霍爾態(tài)開(kāi)展拓?fù)淞孔佑?jì)算。但實(shí)驗(yàn)進(jìn)展一直停留在驗(yàn)證5/2分?jǐn)?shù)量子霍爾態(tài)的準(zhǔn)粒子激發(fā)是否有效電荷為e/4、是否滿(mǎn)足非阿貝爾統(tǒng)計(jì)等問(wèn)題上。由于從事這方面的研究門(mén)檻太高，對(duì)二維電子氣材料質(zhì)量和測(cè)量條件的要求太過(guò)苛刻，國(guó)際上能夠開(kāi)展這方面研究的實(shí)驗(yàn)組并不多。近年研究表明，在具有強(qiáng)自旋軌道耦合的半導(dǎo)體納米線或薄膜、拓?fù)浣^緣體、量子反?；魻栃?yīng)系統(tǒng)等體系中，通過(guò)超導(dǎo)近鄰效應(yīng)都有可能得到拓?fù)涑瑢?dǎo)態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)具備非阿貝爾統(tǒng)計(jì)的馬約拉納準(zhǔn)粒子這種任意子。正是這些方案的提出大 大拓展了拓?fù)淞孔佑?jì)算實(shí)現(xiàn)的可能途徑，是目前量子計(jì)算關(guān)注的焦點(diǎn)之一。

近年來(lái)，荷蘭、丹麥、瑞典和美國(guó)等國(guó)家，在具有強(qiáng)自旋軌道耦合的半導(dǎo)體納米線、拓?fù)浣^緣體和鐵原子鏈中，觀察到馬約拉納零能模存在的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，使得這個(gè)領(lǐng)域進(jìn)入白熱化。我國(guó)若干研究組在拓?fù)洳牧稀雽?dǎo)體納米線和磁通芯中觀察到了馬約拉納零能模。

由于拓?fù)淞孔佑?jì)算的重要性和近年來(lái)實(shí)驗(yàn)方面的快速進(jìn)展，西方發(fā)達(dá)國(guó)家近期對(duì)相關(guān)研究給予了巨額資助。荷蘭投入了超過(guò)1億歐元的研究經(jīng)費(fèi)，美國(guó)也啟動(dòng)了名為“馬約拉納工廠”的巨型研究項(xiàng)目。微軟公司自21世紀(jì)初持續(xù)資助拓?fù)淞孔佑?jì)算方面的研究，從最初的分?jǐn)?shù)霍爾態(tài)到現(xiàn)在的半導(dǎo)體與超導(dǎo)的復(fù)合系統(tǒng)，都在大力推動(dòng)。2016年11月，他們宣布在拓?fù)淞孔佑?jì)算上的投資加倍，聯(lián)合荷蘭、丹麥、瑞士、澳大利亞等國(guó)家的研究組擴(kuò)展微軟的研究機(jī)構(gòu)Station Q，大力推進(jìn)拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)的研制。

從目前的發(fā)展趨勢(shì)看，拓?fù)淞孔佑?jì)算仍然處在初期階段，研究基礎(chǔ)有待成熟，有望在隨后的幾年內(nèi)取得突破性進(jìn)展。符合非阿貝爾統(tǒng)計(jì)馬約拉納零能模，已經(jīng)在多個(gè)系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)，眾多研究組正在尋求對(duì)其進(jìn)行操控和調(diào)制，一旦成功，將實(shí)現(xiàn)第一個(gè)拓?fù)淞孔颖忍?。由于其受拓?fù)浔Ｗo(hù)的特性和可擴(kuò)展性，其成功將大大推動(dòng)拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)。

三、我國(guó)發(fā)展現(xiàn)狀與水平

我國(guó)研究團(tuán)隊(duì)在量子計(jì)算的一些領(lǐng)域做出了有國(guó)際影響力的工 作。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的研究人員利用核磁共振量子計(jì)算的4個(gè)量子比特，演示了至今最大的143的因 子分解，用光學(xué)量子計(jì)算演示了15的分解和求解線性方程組，還成功制備了3個(gè)量子比特的半導(dǎo)體量子芯片。

隨著量子比特?cái)?shù)的增加，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院物理研究所、浙江大學(xué)等在合作研究實(shí)現(xiàn)更大數(shù)字因子分解舒爾算法。在金剛石氮空位中心系統(tǒng)，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院物理研究所、清華大學(xué)都分別演示了簡(jiǎn)易型Deutch算法，量子克隆和幾何邏輯門(mén)操作等量子計(jì)算基礎(chǔ)操作，以及基于動(dòng)力學(xué)退耦的量子態(tài)保護(hù)。

在超導(dǎo)量子計(jì)算方面，2010年之前由于受器件微納加工和極低溫測(cè)量等研究條件的限制，國(guó)內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展相對(duì)緩慢。近年來(lái)，隨著投入的加大，特別是在科技部量子調(diào)控與量子信息重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)，以及高校985項(xiàng)目的支持下，已有多個(gè)研究所和高校建立了較好的研究平臺(tái)。浙江大學(xué)、中科大上海研究院與中科院物理研究所緊密合作，在超導(dǎo)多比特集成系統(tǒng)方面，自行設(shè)計(jì)、制備并且高精度、高相干性測(cè)控了包含5和10比特的超導(dǎo)量子芯片，并首次利用超導(dǎo)芯片進(jìn)行了HHL量子算法的初步演示；南京大學(xué)利用超導(dǎo)比特及其中的TLS首次演示了3比特糾纏，率先在超導(dǎo)量子比特中實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了幾何相的Landau-Zener干涉，并進(jìn)行了量子相變KZ機(jī)制模擬；清華大學(xué)首先利用超導(dǎo)cQED 系統(tǒng)，演示了量子Bernoulli工廠；北京計(jì)算科學(xué)中心、清華大學(xué)針對(duì)超導(dǎo)cQED系統(tǒng)開(kāi) 展了系統(tǒng)研究，實(shí)驗(yàn)上首先顯示了量子電磁透明和Autler-Townes劈裂的區(qū)別和過(guò)渡，以及超強(qiáng)耦合系統(tǒng)中多光子邊帶的觀察等；浙江大學(xué)、福州大學(xué)利用超導(dǎo)多比特器件，演示了量子延遲選擇實(shí)驗(yàn)等；中科院物理所在超導(dǎo)比特系統(tǒng)中，首次演示了非（弱）耦合量子態(tài)之間利用受激拉曼通道的相干演化和量子相位擴(kuò)散等物理過(guò)程。

在拓?fù)淞孔佑?jì)算方面，北京大學(xué)團(tuán)隊(duì)是國(guó)際上最早在半導(dǎo)體納米線與超導(dǎo)的復(fù)合系統(tǒng)中，觀察到馬約拉納零能模的跡象的研究組之一，最早在InAs/GaSb二維拓?fù)浣^緣體中開(kāi)展相互作用下的邊緣態(tài)研究；中科院物理所最早在三維拓?fù)浣^緣體與超導(dǎo)結(jié)合的復(fù)合納米器件中，觀察到了馬約拉納束縛態(tài)跡象，率先演示了基于拓?fù)洳牧系牡谝粋€(gè)相位敏感的拓?fù)淞孔悠骷磺迦A大學(xué)在世界上首次實(shí)現(xiàn)了量子反?；魻栃?yīng)，在基于量子反?；魻栃?yīng)、超導(dǎo)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的拓?fù)淞孔佑?jì)算實(shí)現(xiàn)方面占據(jù)了先機(jī)；上海交通大學(xué)、清華大學(xué)、南京大學(xué)在三維拓?fù)浣^緣體、超導(dǎo)異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，實(shí)現(xiàn)了超導(dǎo)近鄰效應(yīng)，獲得了馬約拉納零能模存在的關(guān)鍵證據(jù)。這些工作在國(guó)際上被公認(rèn)是推動(dòng)拓?fù)涑瑢?dǎo)量子態(tài)和馬約拉納零能模的奠基性成果之一。

四、我國(guó)進(jìn)一步發(fā)展重點(diǎn)及對(duì)策建議

雖然在量子計(jì)算領(lǐng)域的個(gè)別點(diǎn)上，我國(guó)的科研機(jī)構(gòu)已經(jīng)取得了一些研究成果，具有一定的國(guó)際地位，但我們應(yīng)該意識(shí)到我國(guó)與美國(guó)及歐洲主要國(guó)家之間，仍然存在差距。就超導(dǎo)量子計(jì)算而言，僅實(shí)驗(yàn)人員的體量方面，把國(guó)內(nèi)各單位做超導(dǎo)量子計(jì)算的研究隊(duì)伍都加起來(lái)，可能僅相當(dāng)于Google、UCSB一個(gè)團(tuán)隊(duì)的體量。

量子計(jì)算的實(shí)驗(yàn)研究是典型的高門(mén)檻研究，需要用到高質(zhì)量的量子材料和器件、非常精細(xì)的微納加工條件、超凈的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和極其靈敏的量子測(cè)控技術(shù)。國(guó)內(nèi)整體上研究基礎(chǔ)還比較薄弱。

當(dāng)前量子計(jì)算研究國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)激烈、大公司紛紛投入，在個(gè)別領(lǐng)域出現(xiàn)跨越式發(fā)展的趨勢(shì)，但總體上仍然處于探索性研究階段，哪一個(gè)方案是最優(yōu)方案還沒(méi)有塵埃落定。我們一方面要高度關(guān)注那些目前看來(lái)非常有競(jìng)爭(zhēng)力的方案，另一方面要保持一個(gè)相對(duì)寬廣的研究面，支持不同方案的自由探索和相互競(jìng)爭(zhēng)，做到點(diǎn)、面兼顧。

超導(dǎo)量子電路是眾多實(shí)現(xiàn)規(guī)?；孔佑?jì)算方案中，比較具有優(yōu)勢(shì)的一個(gè)方案。國(guó)際上的研究顯示，利用超導(dǎo)器件，有可能在不遠(yuǎn)的將來(lái)，演示量子技術(shù)在計(jì)算方面的優(yōu)勢(shì)。雖然要實(shí)現(xiàn)通用超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)還有很長(zhǎng)的路要走，但是針對(duì)專(zhuān)門(mén)問(wèn)題的專(zhuān)用超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)或超導(dǎo)量子模擬機(jī)，很有可能在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)，并付諸實(shí)際應(yīng)用。一旦獲得突破，將使我們對(duì)信息的計(jì)算和處理能力，進(jìn)入一個(gè)目前技術(shù)所不能達(dá)到的全新領(lǐng)域，將會(huì)對(duì)信息技術(shù)、人工智能技術(shù)、材料設(shè)計(jì)、藥物設(shè)計(jì)等方面的發(fā)展起到革命性推動(dòng)作用。這將是一個(gè)很可能會(huì)產(chǎn)生顛覆性技術(shù)的方向，將會(huì)對(duì)國(guó)家社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)家安全產(chǎn)生重要影響。

面對(duì)國(guó)際上快速發(fā)展的勢(shì)頭，我國(guó)應(yīng)該在超導(dǎo)量子計(jì)算的相關(guān)領(lǐng)域加大投入，加強(qiáng)布局，應(yīng)對(duì)新的挑戰(zhàn)。研發(fā)的中長(zhǎng)期目標(biāo)是能夠針對(duì)專(zhuān)門(mén)問(wèn)題，進(jìn)行計(jì)算或模擬包含數(shù)十個(gè)到100個(gè)超導(dǎo)量子比特的專(zhuān)用超導(dǎo)量子電路系統(tǒng)，力爭(zhēng)早日實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”。

拓?fù)淞孔佑?jì)算目前還處于基礎(chǔ)研究階段，由于其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，一旦取得突破性進(jìn)展，將大大加速量子計(jì)算機(jī)的建造。我們需要加強(qiáng)拓?fù)淞孔悠骷难兄婆c調(diào)控、新型拓?fù)淞孔硬牧系奶剿鳌⑼負(fù)淞孔佑?jì)算技術(shù)的發(fā)展和拓?fù)淞孔佑?jì)算理論的構(gòu)建等。

在這些重點(diǎn)方向中，我們的目標(biāo)與任務(wù)是探索更實(shí)用的新材料。結(jié)合已有的固態(tài)系統(tǒng)，利用微納加工、極低溫等技術(shù)手段，制備并研究拓?fù)淞孔釉推骷＠梅前⒇悹柸我庾拥木幹撇僮?，制備拓?fù)淞孔颖忍兀罱K做到集成化并實(shí)現(xiàn)拓?fù)淞孔佑?jì)算。 ■